JP2009516787A - 流体特性の監視方法 - Google Patents
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Abstract
内面と上部と底部とを有する坑井内で分散型センサーにより流体特性を監視する方法であって、分散型センサーに螺旋形状をとらせる工程;分散型センサーの螺旋形状を保持しつつ、坑井の底部に向けて分散型センサーを引き込む工程;分散型センサーが前記内面にほぼ連続的に接触するように分散型センサーを坑井中に送り込む工程;及び前記内面での摩擦により分散型センサーを少なくとも部分的に支持させる工程;を含む方法。
Description
本発明は坑井中の分散型センサーにより流体特性を監視する方法に関する。
石油及びガス産業では、井戸中の流体の流れ特性を監視できることはかなり重要である。多くの井戸はいくつかの炭化水素産出ゾーンから成り、これらの炭化水素産出ゾーンは浸透性が異なり、産出可能なように穿孔されているか又は開放されている。生産速度、刺激、修復、及び井戸の稼働中に生じるその他の問題に関して作業上の判断を行なうために、これらのゾーンの各々からフローデータを取得するのが望ましい。どれだけの流体が特定のゾーンに注入されているかや、どのようにこの流体が地層に吸収されているかを注入フローデータにより知ることができるので、生産フローデータに加えて、注入フローデータもまた重要である。
このニーズに応えるため、当該産業では、産出井における流れ特性を測定するよう構成された「インテリジェント・ウェル」技術アレイが開発された。限定するものではないが、よく測定される特性として、温度、圧力、組成、及び流量が挙げられる。長期間の監視のために特定の測定ツールが井戸内に固定して設置されるが、その他は一時的な測定値を得るために割り込みで井戸に入れられる。これらのインテリジェント・ウェル技術の先進性にも関わらず、現在利用可能なこれらのツールは技術上の問題によって制限されている。この問題として、ダウンホール環境の過酷な条件に十分耐えるだけの耐久性を有した検出装置を構築すること、この装置に電力を供給すること、ダウンホール検出システムの信頼性を高めること、生産を妨害することなく坑井内の流れ特性を測定するツールを開発することが挙げられる。温度、圧力、及びその他の特性を測定するためのダウンホール計器が数多く開発されてきたが、井戸内のいくつかの地点での離散的な測定値が、ダウンホールの流れ条件について限定された詳細を知らせるのみである。理想的には、地層中への半径方向だけでなく抗井の長手方向及び周方向について流れ特性のリアルタイムの連続的なプロファイルを得ることを操作者は欲している。
ダウンホール検出の分野において新たに開発された有望なものは、分散型温度検出すなわちDTSである。James J.Smolen及びAlex van der Spek,「Distributed Temperature Sensing: A DTS Primer for Oil & Gas Production」,Shell International Exploration and Production B.V.(May 2003)を参照。DTSシステムは検出機構として分散型センサーを利用することにより機能する。いったん分散型センサーが井戸内に設置されると、レーザー光のパルスがファイバーに沿って送られ、ファイバーの格子構造及び原子に衝突することで、その原子が光の小さなバーストを放射し、このバーストがファイバーの先頭に向けて「後方散乱」又は返送される。これらのバースト光はわずかにシフトした周波数にて戻される。この周波数シフトのお陰で、後方散乱された光が、後方散乱の起点となった地点での温度を求めるのに使用できる情報を提供する。光の速度は一定なので、光パルスの移動経過時間を用いることにより、地表から温度が記録された地点までの距離を求めることができる。後方散乱した光を連続的に監視することにより、ファイバーの長手方向における温度の連続的なプロファイルを得ることができる。
米国特許出願US2005/0034873A1(以下Coonという)は坑井内に光ファイバーセンサー線を配置する方法を開示する。Coonの方法は、第1導管が作動可能に取り付けられたチューブラを坑井内に設けることを含み、第1導管はチューブラのほぼ全長に延びている。この方法は、ダウンホール構成要素に作動可能に取り付けられた第2導管に第1導管を合わせること、及び第1導管と第2導管との間で水圧連結を形成することで、光ファイバーセンサー線の通路を完成させること(光ファイバーセンサー線は流体ポンプとホースによって通路を通るよう強制される)を更に含む。この方法は井戸の全長に沿ってフローデータを提供できるが、測定は坑井の単一サイドに限定される。理想的には、井戸の深さ方向及び周方向にて井戸の流入及び流出の完全なプロファイルを得ることを操作者は欲している。
米国特許第5,804,713号(以下Kluthという)は光ファイバーセンサーを井戸に設置するための装置を開示する。Kluthは少なくとも1つのセンサー配置構成を含んだ第1チャネルを有する装置を開示している。センサーをポンプで送ってセンサー配置構成にした後のセンサーの物理的な配置が直線ではなく、旋回部が水圧導管のループからなるように、少なくとも1つのセンサーをポンプで第1チャネルを通して送り、少なくとも1つの旋回部を有するセンサー配置構成にすることができる。本質的に、このセンサーは、生産チュービングの周りに巻き付けられた水圧導管中にセンサー線をポンプで送ることによって設置される。導管の特定部分では光ファイバーケーブルをパイプの周囲に巻き付けることができるが、その他の部分は直線的な構成を与える。一般に、特定のセンサー配置にファイバーを配置するためには、低粘性の流体を特定の流量に維持する必要がある。特定の用途では、光ファイバー線に負荷が掛けられ、その検出能力に損傷を与え得る。
米国特許第6,959,604号(以下Bryantという)はパイプ内の不安定な圧力を測定する装置を開示し、この装置は、パイプ円周の少なくとも一部の周りに配置された少なくとも1つの光ファイバーを含んだ光センサーを備える。この光ファイバーはファイバーの長さを示す光信号を与える。光学機器が当該光信号に応じて不安定な圧力を示す信号を測定する。このシステムでは、当該ファイバーがパイプの外面の周りに巻き付けられる。
米国特許出願US2005/0034873A1
米国特許第5,804,713号
米国特許第6,959,604号
James J.Smolen及びAlex van der Spek,「Distributed Temperature Sensing: A DTS Primer for Oil & Gas Production」,Shell International Exploration and Production B.V.(May 2003)
発明の概要
本発明は、内面と上部と底部とを有する坑井内で分散型センサーにより流体特性を監視する方法であって、分散型センサーに螺旋形状をとらせる工程;分散型センサーの螺旋形状を保持しつつ、坑井の底部に向けて分散型センサーを引き込む工程;分散型センサーが前記内面にほぼ連続的に接触するように分散型センサーを坑井中に送り込む工程;及び前記内面での摩擦により分散型センサーを少なくとも部分的に支持させる工程;を含む方法を含む。
本発明は、内面と上部と底部とを有する坑井内で分散型センサーにより流体特性を監視する方法であって、分散型センサーに螺旋形状をとらせる工程;分散型センサーの螺旋形状を保持しつつ、坑井の底部に向けて分散型センサーを引き込む工程;分散型センサーが前記内面にほぼ連続的に接触するように分散型センサーを坑井中に送り込む工程;及び前記内面での摩擦により分散型センサーを少なくとも部分的に支持させる工程;を含む方法を含む。
本発明は、摩擦により少なくとも部分的に支持された分散型センサーを含む生産区間のある坑井を含む。
本発明は、分散型センサーが摩擦により少なくとも部分的に支持されるように分散型センサーを坑井内に設置し、分散型センサーにより流体特性を測定し、坑井から油を産出することを含んだ油産出方法を含む。
本発明は添付図面に関する非限定的な態様についての以下の説明から良く理解される。各図の同様の部分は同じ参照符号により示される。
本発明は添付図面に関する非限定的な態様についての以下の説明から良く理解される。各図の同様の部分は同じ参照符号により示される。
上述した問題を解決するため集中的に取り組んだ結果、本発明者は以下の発見をした。本発明は坑井内の分散型センサーにより流体特性を監視する方法に関する。この明細書において、「流体特性」なる用語は、圧力、温度、流量、密度、歪み、導電率、音速、組成、粒子の存在、又は坑井流体に関するその他の任意の特徴を示す。「分散型センサー」なる用語は、分散した測定値を得ることができる任意のセンサーを示すのに用いられる。限定するものではないが、例として光ファイバー、分散型温度センサー、及びMEMS(微小電気機械システム)が挙げられる。
図面に戻って、図1及び2は本発明において使用できる種類の分散型センサーの態様を示す。これらの図は流量を測定するよう構成されたセンサーを示しているが、本方法はこれらの種類のセンサーの使用に限定されるべきでない。図1は断面が長方形をした分散型センサー100を示す。この場合は光ファイバーセンサーが示されている。分散型センサー100は上流センサー101と下流センサー102とを備える。加熱エレメント103が上流センサー101と下流センサー102との間に配置される。上流センサー101、下流センサー102及び加熱エレメント103は管104内に一緒に束ねられており、この管104が保護部材105で覆われて本装置を流体106から絶縁している。符号106は分散型センサー100を横切って流れる流体の方向を示す。
分散型センサー100は、参考のためここに組み入れられた米国特許第6,705,158号B1及び米国特許第4,011,756号に記載のホット・エレメント式風速計と同様の用法で機能する。流体106が分散型センサー100を横切って流れるとき、上流センサー101での温度が下流センサー102での温度よりもわずかに低い。下流センサー102の温度から上流センサー101の温度を差し引くことにより、分散型センサー100に沿って吸収された熱に比例した温度上昇を求めることができる。この値から、流体106の局所的な流量を得ることができる。
図2は断面が流線形の分散型センサー200を示す。図2では、上流センサー201と下流センサー202とが加熱エレメント203と共に管204内に入れられ、断続的に配置される。保護部材205が本装置を覆い、流体206から保護している。図2の分散型センサー200は、上述した図1の分散型センサー100と本質的に同じ方法で機能する。
図示された構成に加えて、他の多くのセンサー構成を使用し得る。例えば、三コア型の光ファイバー分散型センサーを使用できる。この場合、センサーは三角形の形状を有し得る。加えて、温度を測定する1つのセンサーと、圧力を測定する1つのセンサーと、歪みを測定する1つのセンサーとを1つの管内に一緒に束ねることもできる。
本発明は様々なダウンホール環境(例えばケーシング装着孔、裸孔、マルチラテラル(multi-lateral))において使用することが意図されている。図3〜7はケーシング装着孔仕上300内に設置された本発明の態様を示す。図3には、地層301に掘削された坑井302が示されている。坑井302はケーシング303でライニングされ、適宜、セメントで適所に固められる。井戸仕上の技術分野において公知の従来方法を用いて穿孔304を形成することによって、流体と地層301との連通が得られる。生産チュービング305は坑井302内にてケーシング303の内側に設置される。
本発明のこの態様では、坑井内の流体特性を監視するために分散型センサーが利用される。坑井の長手方向及び周方向における生産プロファイルを構築すべく十分なデータ地点を与えるために、コイル状の分散型センサーが坑井の内側を覆うように配置される。分散型センサーをこのようにコイル状にて設置することにより、坑井の全長にわたって周方向のプロファイルを操作者が取得できる。加えて、この構成は垂直方向の分解能を上げると共に抗力を最小にできるので、流れの速度に耐えるセンサーの能力が優れている。
設置前、分散型センサー306はスプール307に巻かれているので、螺旋形状を保持している。分散型センサー306は巻き付けられた後に、坑井302内に引き込まれる。図3に示される態様では、分散型センサー306の端に重り309を取り付けて下方に引っ張ることによって分散型センサー306が坑井302内に引き込まれている。分散型センサー306を坑井302内に引き込むために任意の種類の重り又はメカニズムをシンカーバー309の代わりに使用できる。
分散型センサー306を坑井302内に送り込むために滑車アセンブリ308が用いられる。分散型センサー306が坑井302内に送り込まれているとき、滑車アセンブリ308は坑井302の上部での張力を測定する。シンカーバー309は分散型センサー306の底部に取り付けられる。シンカーバー309は、スプール307からの螺旋状の形態は保持しつつも部分的にまっすぐにしつつ、分散型センサー306を坑井302内に引き込むために用いられる。
分散型センサー306が坑井302内に完全に挿入された後、図4に示されるようにシンカーバー309が最後の穿孔304より下に降ろされ坑井302の底に配置される。配置されると、坑井302の上部での張力が下がり始め、分散型センサー306の重さの効果によって分散型センサー306は坑井401の底から上方向に更にコイル状の形状を帯び始める。分散型センサー306は生産チュービング402の底部近くでコイル状になり始めてその半径を大きくし、生産チュービング305の壁に達する。上部から更に分散型センサーが送り出されるにつれ、生産チュービング305の壁に接触するコイル状の部分が増し始める。
図5に示されるように、最終的には、分散型センサー306が生産チュービング305の壁に摩擦により支持されるようになると、坑井302の上部で感じる張力はゼロに下がる。図6に示されるように、コイル状の分散型センサー306が井戸の上部に確実に達し、かつ井戸で流れが始まっても摩擦で適所に確実に保持されるように、更なる分散型センサー306が坑井302に押し込められる。適宜、分散型センサーが光ファイバーケーブルである場合、該ファイバーを含んだ部材に圧力を掛けてもよい。圧力を加えるとコイル状のセンサーをまっすぐにさせるが、生産チュービング305の壁によって束縛される。このことにより、センサーと生産チュービングの壁との間の摩擦が増す。
坑井の深さ全体に到達し且つ全周をカバーするだけ正確な長さを分散型センサーが有することを保証するめ、分散型センサーの長さは、坑井の深さの下記ファクター:
倍で坑井の深さより長くなければならない。ここで、Dは坑井の直径であり、Pはスプールの直径である。理想的には、設置後に、分散型センサー306は坑井302の全長及び全周を実質的にカバーするコイル状のシースとなるべきである。
倍で坑井の深さより長くなければならない。ここで、Dは坑井の直径であり、Pはスプールの直径である。理想的には、設置後に、分散型センサー306は坑井302の全長及び全周を実質的にカバーするコイル状のシースとなるべきである。
分散型センサー306が設置された後、分散型センサー306が地表制御機器601に接続され、井戸が密閉され、滑車アセンブリ308が外される。この段階で、分散型センサー306は、坑井302の周方向及び長手方向において流れの分布型プロフィルを得る機構を提供する。
図7はケーシング装着孔仕上の別の態様を示し、分散型センサー306は滑車アセンブリ308によって坑井302中に引き込まれている。この態様では、生産チュービングは存在してなく、分散型センサーがケーシング303内に配置されている。ここでは、ケーシングと分散型センサーとの間の摩擦により分散型センサーが適所に保持される。
図8〜9は裸孔仕上800内に設置された本発明の態様を示す。これらの図は、地層802中に掘削され、ケーシングが装着されていない状態の坑井801から成る裸孔の井戸800を示す。適宜、生産チュービング(図示せず)を坑井302内に設置できる。生産チュービングが設置されると、ケーシング装着孔の態様に示されたように生産チュービング内に分散型センサーを配置できる。
別法として、分散型センサーを坑井内に直接配置することもできる。これらの態様では、スプール307と滑車アセンブリ308とを用いて、分散型センサー306が坑井801内に送り込まれる。分散型センサー306は、シンカーバー309の重さによって坑井701内に引き込まれる。図8は裸孔仕上800内に完全に設置された分散型センサー306を示す。図示されているように、分散型センサー306は坑井801内で地層802に対して堅固なコイルを形成する。図9は裸孔仕上800内に設置された生産チュービング901を示す。ここでの分散型センサー306は、ケーシング装着孔が用いられている図3〜6に示された方法と同様の方法にて生産チュービング901の内面に対して堅固なコイルを形成する。分散型センサーは坑井に対する摩擦によって支持される。
いったん分散型センサーがケーシング装着孔仕上又は裸孔仕上内に設置されると、操作者は坑井内の流体特性を監視しながら油を生産できる。上述したように、本発明の態様は流れ特性を測定することに関するものであるので、流量が低ければしばしば有効な流れ特性である。流量の監視は、上流センサーでの流体の温度を測定し第1の値を取得し;下流センサーでの流体の温度を測定し第2の値を取得し;第2の値から第1の値を差し引き、分散型センサーに沿って吸収された熱に比例した温度上昇に対応する第3の値を取得し;そして第3の値から流量を導出することによって実行される。この態様では、分散型センサーの熱特性、単位長さ当たりの熱入力、及び加熱エレメントの抵抗率が知られている場合には、測定された温度変化は熱を流体中に移す流量に比例するので、流量を導出できる。この計算は有限要素定常状態分析を用いて実行できる。
図10は分散型センサーが仕上の生産区間にのみ配置されている本発明の別の態様を示す。この態様は、水平な井戸、マルチラテラル井戸、又はコスト制限若しくはデータ伝送の限界があるような状況において特に有効となり得る。この態様では、坑井900は水平セクション901と垂直セクション902とに分けられる。坑井900はケーシング903でライニングされており、このケーシング903は、引き出し要素904により示されたように穿孔されている。ケーシングはいくつかのジョイントから成り、その一つがセンサージョイント905である。センサージョイント905は、該ジョイントの内面上でコイル状になっている分散型センサー906を含む。センサージョイント905はまた、ケーシングのジョイントであることに加えて、砂制御スクリーン、ライナー・セクション、又は他の任意のダウンホール構成要素でもあり得る。従来のチュービング907のジョイントがセンサージョイント905と共にケーシング903内に設置されており、このセンサージョイント905が井戸の生産区間に対応した深さのところに配置される。特定の時間に、操作者は分散型センサー906を伸ばして生産区間上にセンサーを配置できる。
この態様はまた図11に示されるようなマルチラテラル井戸で使用するのに適応し得る。図11は地層1101中に掘削されたマルチラテラル井戸1100を示す。マルチラテラル井戸110はレッグ・ワン1102(ケーシング1103でライニングされ、1104にて穿孔されている)と、レッグ・ツー1105(ケーシング1106でライニングされ、1107にて穿孔されている)とから構成される。第1の分散型センサー1108と第2の分散型センサー1109とが設けられている。第1のチュービング1110がレッグ・ワン1102内に設置され、第2のチュービング1111がレッグ・ツー1105内に設置される。第1の分散型センサー1108は第1のチュービング1110の内側でコイル状をなし、第2の分散型センサー1109は第2のチュービング1111の内側でコイル状をなしている。コネクター1112及び1113が第1の分散型センサー1108及び第2の分散型センサー1109を地表制御機器1114に接続する。特定の時間に、操作者は第1の分散型センサー1108をレッグ・ワン1102の生産区間上に配置し、かつ/又は第2の分散型センサー1109をレッグ・ツー1105の生産区間上に配置するかを選択できる。
当業者ならば、開示された態様、構成、材料及び方法に関してそれらの思想及び範囲を逸脱することなく多くの変更及び改変が可能なこと理解するであろう。よって、特許請求の範囲及びその機能上の等価物の範囲は、単なる例示としてここに示された特定に態様に限定されるべきではない。
100、200 分散型センサー
101、201 上流センサー
102、202 下流センサー
103、203 加熱エレメント
104、204 管
105、205 保護部材
300 ケーシング装着孔仕上
301 地層
302 坑井
303 ケーシング
304 穿孔
305 生産チュービング
306 分散型センサー
307 スプール
308 滑車アセンブリ
309 重り
101、201 上流センサー
102、202 下流センサー
103、203 加熱エレメント
104、204 管
105、205 保護部材
300 ケーシング装着孔仕上
301 地層
302 坑井
303 ケーシング
304 穿孔
305 生産チュービング
306 分散型センサー
307 スプール
308 滑車アセンブリ
309 重り
Claims (20)
- 内面と上部と底部とを有する坑井内で分散型センサーにより流体特性を監視する方法であって、
分散型センサーに螺旋形状をとらせる工程;
分散型センサーの螺旋形状を保持しつつ、坑井の底部に向けて分散型センサーを引き込む工程;
分散型センサーが前記内面にほぼ連続的に接触するように分散型センサーを坑井中に送り込む工程;及び
前記内面での摩擦により分散型センサーを少なくとも部分的に支持させる工程;
を含む方法。 - 分散型センサーに螺旋形状をとらせる工程が、スプールに分散型センサーを巻き付けることからなる請求項1に記載の方法。
- 坑井の上部での分散型センサーの張力を測定する工程を更に含む請求項2に記載の方法。
- 坑井内に分散型センサーを引き込む工程が分散型センサーの端部に重りを取り付けることを含む請求項3に記載の方法。
- 分散型センサーを坑井中に送り込む工程が、スプールにより分散型センサーを供給し、滑車アセンブリを介して分散型センサーを移動させることを更に含む請求項4に記載の方法。
- 分散型センサーが坑井の全長及び全周をほぼカバーするコイル状のシースとなるまで、分散型センサをー坑井中に送り込み続けることを更に含む請求項5に記載の方法。
- 分散型センサーの長さが坑井の深さの下記ファクター:
倍で坑井の深さより長く、ここでDは坑井の直径であり、Pはスプールの直径である、請求項6に記載の方法。 - 分散型センサーを地表制御システムに接続することを更に含む請求項7に記載の方法。
- 分散型センサーにより流体特性を監視することを更に含む請求項8に記載の方法。
- 光ファイバーセンサー、分散型温度センサー、分散型圧力センサー、及び微小電気機械センサーからなる群から分散型センサーが選択される請求項9に記載の方法。
- 分散型センサーが、保護部材内に一緒に束ねられた上流センサー、下流センサー、及び加熱エレメントからなる請求項10に記載の方法。
- 保護部材に圧力を加えて分散型センサーを前記内面に対して押圧し、分散型センサーと当該内面との間の摩擦を高めることを更に含む請求項11に記載の方法。
- 坑井の内側の流体の流れ特性を監視する工程が、
上流センサーでの流体の温度を測定し第1の値を得る工程;
下流センサーでの流体の温度を測定し第2の値を得る工程;
第2の値から第1の値を差し引き、分散型センサーに沿って吸収された熱に比例した温度上昇に対応する第3の値を得る工程;及び
第3の値から流量を導出する工程;
を含む請求項12に記載の方法。 - 坑井が、チュービングが設置されている裸坑井であり、前記内面が坑井の内面又はチュービングの内面を示す請求項13に記載の方法。
- 坑井が、ケーシング及びチュービングが設置されているケーシング装着坑井であり、前記内面がケーシングの内面又はチュービングの内面を示す請求項13に記載の方法。
- 摩擦により少なくとも部分的に支持された分散型センサーを含む生産区間のある坑井。
- 分散型センサーが螺旋形状を有する請求項16に記載の坑井。
- 内面を有する管状要素を更に含み、分散型センサーが分散型センサーと管状要素の前記内面との間の摩擦により支持される、請求項17に記載の坑井。
- 分散型センサーが上流センサー、下流センサー、及び加熱エレメントを含む請求項18に記載の坑井。
- 分散型センサーの長さが坑井の深さの下記ファクター:
倍で坑井の深さより長く、ここでDは坑井の直径であり、Pはスプールの直径である、請求項19に記載の坑井。
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