KR102607131B1 - 수직 도관에서 가스/액체 유동을 안정화시키기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

구조적 지지 튜브를 따라 도관 내부에 위치된 하나 이상의 유동 안정화 장치를 이용함으로써 수직 도관에서 가스/액체 유동을 안정화시키기 위한 방법 및 장치가 제공된다. 유동 안정화 장치는 상향 액체 유동을 유지하기 위해 도관에서 유동 2 상 유체 혼합물의 속도를 가속시키도록 구성되고 치수가 설정된다.

Description

수직 도관에서 가스/액체 유동을 안정화시키기 위한 방법 및 장치
본 출원은 2017년 3월 27일자로 출원된 미국 출원 제15/469,906호의 이익을 주장하며, 이는 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 수직 도관에서 가스/액체 유동을 안정화시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
점점 더 많은 가스 웰(gas well)이 액체 로딩(loading) 문제로 도전받고 있다. 이러한 웰은 응축물/형성 액체가 감소하는 저장소 압력 및 생산 튜빙에 의해 리프팅될 수 없을 때 폐쇄 또는 정지 상태로 유지된다. 가스 웰 수명은 일반적으로 약 20 년이다. 그 기간에 걸쳐 저장소 압력은 원래 저장소 압력[커프(Khuff) 저장소의 경우 약 7,500 psi, 프리-커프(pre-Khuff) 저장소의 경우 8,500 psi]으로부터 3,000 psi 이하로 감소한다. 저장소 압력이 약 3,000 psi 또는 그 이하로 감소하면, 웰은 액체 유입의 증가 이외에 추가적인 압축 없이 현재의 유동 라인 압력에 대해 더 이상 생산될 수 없고, 폐쇄되어 값 비싼 탄화수소가 제 위치에 남아있게 해야 한다.
오일 및 가스 생산 산업은 수백 개의 가스 생산 웰을 포함하며, 많은 것들은 액체 로딩 현상에 기인하는 알려진 생산 문제를 갖고 있다. 문제가 되는 웰의 개수가 앞으로 몇 년 안에 실질적으로 증가할 것으로 예상된다. 1990 년대와 2000 년대 초반에 시추된 대부분의 가스 웰은 표준화된 접근법을 사용하여 4-½ 인치 또는 5-½ 인치 직경의 생산 튜빙으로 표준 웰이 완료되었다.
가스 웰의 액체 로딩은 매우 중요한 문제이다. 액체 로딩을 줄이는 것은 노후된 가스 웰의 생산에서 상당한 개선을 의미한다. 가스 웰에서는, 천연 가스, 응축물 및 물이 동시에 생산된다.
웰 수명의 초기 스테이지에서, 가스 유량은 액체 응축물을 지상 수준까지 리프팅시킬 만큼 충분히 높다. 이러한 조건 하에서, 유동 레짐(regime)은 환형이고 가스는 파이프의 코어에서 연속적으로 유동하고, 액체는 벽에 액체 필름으로 둘러싸인 코어에서 비말 동반 액적으로서 유동한다.
가스 웰이 성숙됨에 따라, 생산된 가스 유량 및 압력이 감소하여, 액체 리프팅 능력이 감소되고 액체 로딩으로 알려진 것을 개시된다. 액체는 다운 홀(downhole)을 축적하기 시작하며, 유동 패턴은 환형으로부터 간헐적인 그리고 비-정상적인 처닝(churning) 유동 레짐으로 변경된다. 축적된 액체는 탄화수소 생산을 방해한다.
현재, 생산 웰 내에서 생산된 유체 유동에 대해 상향으로 다시 에너지를 제공하는 가장 일반적인 종래의 방법은 웰 내의 적절한 높이에서 고압의 가스를 주입함으로써 기존의 생산 튜빙에서의 유량을 증가시키는 것이다. 이 기술은 대체로 "인공 리프트(artificial lift)"라고 불리며, 유동 압력이 감소하는 웰로부터 가스를 추출하는데 널리 사용된다. 오일 및 가스 생산 산업 분야에서 저압 웰을 펌핑하기 위한 다른 종래의 방법은 다운 홀 플런저 또는 로드 유형 펌프의 사용 및 액상의 특성(밀도 및 점도)을 변화시키고 가스 생산을 촉진시키는 화학 물질의 주입을 포함한다.
대안적으로, 가스 생산 산업 분야에 이용 가능한 액체 로딩으로 인해 막히고 있는 가스 웰에 대해 다시 에너지를 제공하기 위한 상업용 솔루션은 소위 "속도 스트링"(Schlumberger)이다. 속도 스트링은 단순히 "페이 존(pay zone)"의 웰 바닥으로부터 웰 헤드까지 연장되는 프로시저에 걸친 작업 중에 웰에 설치되는 초기 웰 튜빙보다 작은 직경의 생산 튜빙이다. 일단 속도 스트링이 설치되면, 웰 튜빙과 속도 스트링의 외벽 사이의 환형 공간이 차단되고, 웰 생산이 속도 스트링을 통해 흐르게 된다. 작은 직경의 튜빙을 통해 생산 유동이 생산되고, 가스 유동 속도가 증가하고, 액체가 웰 위로 비말 동반될 수 있어, 이에 따라 액체 로딩 문제가 제거된다.
보다 구체적으로, 가스 웰에서 액체 로딩 문제를 완화하기 위한 현재의 하나의 기술은 4-½ 인치 또는 5-½ 인치 생산 튜빙 내부에 코일형 튜빙을 삽입하는 것이다. 이 코일형 튜빙은 또한 "속도 스트링"으로도 알려져 있다. 이 기술은 생산 사이즈 튜빙에 대한 생산 속도에 비해, 매우 낮은 생산 속도, 일반적으로 0.5 내지 9 MMSCFD의 비용으로 가스를 리프팅시키는데 도움이 된다. 4-½ 인치 생산 라이너는 3.5 내지 35 MMSCFD를 생산한다; 5-½ 인치 생산 라이너는 동일한 저장소 압력 하에서 5 내지 45 MMSCFD를 생산한다(도 10 참조).
오일 및 가스 생산 산업 분야의 엔지니어들은 웰 성능, 설계 및 최적화 소프트웨어 PROSPER(Petroleum Experts Inc.)를 사용하여 웰 구성을 모델링한다. 엔지니어들은 PROSPER를 사용하여 상이한 웰 설계에 대해 튜빙 및 파이프라인 유압 장치를 예측한다. 도 10은 5-½ 인치 튜빙, 4-½ 인치 튜빙 및 2-⅞ 인치 코일 튜빙 직경의 속도 스트링을 갖는 전형적인 가스 웰로부터의 생산 유량을 도시한다.
가스 웰에서의 액체 로딩 문제를 완화하기 위한 알려진 시도는 개선의 여지가 있다.
본 발명은 수직 도관에서 가스/액체 유동을 안정화시키는 방법 및 장치를 제공한다.
일 실시예에서, 가스-액체 유체를 포함하는 유동 2 상 유체 혼합물을 이송하기 위한 수직 생산 튜빙이 제공된다. 튜빙은 내부 표면과, 상류 및 하류 단부를 갖는다. 튜빙은 구조적 지지 튜브를 따라 튜브 내에 위치된 하나 이상의 유동 안정화 장치를 포함한다. 하나 이상의 유동 안정화 장치는 상향 액체 유동을 유지하기 위해 튜빙 내의 유동 2 상 유체 혼합물의 속도를 가속시키도록 구성되고 치수가 설정된다. 하나 이상의 유동 안정화 장치 중 적어도 하나는: 상류를 향하는 제 1 부분 - 상기 제 1 부분의 원위 단부는 상류를 향하는 제 1 정점을 형성함 - ; 하류를 향하는 제 2 부분 - 상기 제 2 부분의 원위 단부는 하류를 향하는 제 2 정점을 형성함 - ; 상기 제 1 정점으로부터 상기 제 2 정점을 통해 연장되는 통로를 포함한다. 구조적 지지 튜브는 상기 제 2 정점에 직접 부착되고 상기 제 2 정점으로부터 축 방향으로 연장되며, 상기 구조적 지지 튜브는 전체적으로 상기 튜브 내에 배치된다. 상기 유동 안정화 장치 각각은 상기 유동 안정화 장치의 외부 표면이 상기 튜빙의 인접하는 내부 벽과 접촉하지 않도록 치수가 설정되고 구성되며, 상기 제 1 부분의 상기 외부 표면은 상기 유동 2 상 유체 혼합물의 경로를 차단하고 편향시키도록 구성되는 고체 표면을 형성하고; 상기 혼합물의 제 1 부분은 상기 통로를 통해 유동하며; 상기 혼합물의 제 2 부분은 상기 유동 안정화 장치 주위로 유동한다.
일 실시예에서, 상향 액체 유동을 유지하기 위해 수직 생산 튜빙 내에 위치되는 유동 안정화 장치가 제공된다. 상기 유동 안정화 장치는: 상류를 향하는 제 1 부분 - 상기 제 1 부분의 원위 단부는 상류를 향하는 제 1 정점을 형성함 - ; 하류를 향하는 제 2 부분 - 상기 제 2 부분의 원위 단부는 하류를 향하는 제 2 정점을 형성함 - ; 상기 제 1 정점으로부터 상기 제 2 정점을 통해 연장되는 통로를 포함한다. 상기 구조적 지지 튜브는 상기 제 2 정점에 직접 부착되고 상기 제 2 정점으로부터 축 방향으로 연장되며, 상기 구조적 지지 튜브는 전체적으로 상기 튜브 내에 배치되며; 상기 유동 안정화 장치 각각은 상기 유동 안정화 장치의 외부 표면이 상기 튜빙의 인접하는 내부 벽과 접촉하지 않도록 치수가 설정되고 구성되며, 상기 제 1 부분의 상기 외부 표면은 상기 유동 2 상 유체 혼합물의 경로를 차단하고 편향시키도록 구성되는 고체 표면을 형성하고; 상기 혼합물의 제 1 부분은 상기 통로를 통해 유동하며; 상기 혼합물의 제 2 부분은 상기 유동 안정화 장치 주위로 유동한다.
일 실시예에서, 내부 표면을 갖는 수직 생산 튜빙에서 가스/액체 유동의 속도를 가속시키는 방법이 제공된다. 상기 방법은: 구조적 지지 튜브를 따라 상기 튜빙 내에서 중심에 위치되는 유동 안정화 장치를 제공하는 단계 - 상기 구조적 지지 튜브는 전체적으로 상기 튜빙 내에 배치됨 - 를 포함하고, 상기 유동 안정화 장치는 상기 가스/액체 유동의 일부를 수용하도록 구성되고 치수가 설정되는 중앙 통로를 포함하고, 상기 가스/액체 유동의 일부는 상기 유동 안정화 장치 주위로 유도되며; 상기 유동 안정화 장치는 상기 유동 안정화 장치의 외부 표면이 상기 튜빙의 인접하는 내부 벽과 접촉하지 않도록 치수가 설정되고 구성된다.
본 발명에 따른 방법은 가스 생산 웰의 벽에서 액체 필름 반전을 방지하기 위해 듀얼-콘(dual-cone) 유동 안정화 장치를 사용한다. 본 발명에 따른 장치는 벽에서 형성된 액체 필름이 안정하게 유지되고 리버스 액체 유동이 회피되도록 웰 내의 기체 상 속도를 국부적으로 변형시키는 역할을 한다. 이 방법은 또한 웰 생산 유동의 일부에서의 일부 압력 제어가 유동 안정화 장치의 효율을 최적화하도록 허용한다. 유동 안정화 장치는 표준 웰 워크오버(workover) 또는 개입 프로시저를 사용하여 노화 가스 생산 웰에 설치될 수 있다.
본 발명은 주로 4-½ 인치 및 5-½ 인치 직경 생산 튜빙을 갖는 웰을 목표로 하지만, 본 발명은 또한 보다 큰 직경의 생산 웰을 위해 작동할 수도 있다.
본 발명에 따른 유동 안정화 장치를 설치하기 위한 양호한 후보는 커프(Khuff) 및 프리-커프(Pre-Khuff) 저장소 포메이션의 가스 웰이다. 이들 가스 웰은 12,000 내지 17,000 피트 깊이이다. 저장소 압력은 3,500 psi 내지 9,000 psi 범위이며, 온도는 250 내지 350 °F까지 다양하다.
본 발명에 따른 방법은 각 유닛의 작동 능력에 따라, 코일형 튜빙에 다운 홀 장비를 설치하거나 또는 워크오버 리그(workover rig)를 사용하는 프로시저를 이용한다. 설치 구성은 안전하고, 비용 대비 최적이며, 재현 가능하고 신뢰할 수 있어야 한다.
본 발명은 가스 및 액체 상의 일정한 유동 레짐 및 수송을 촉진시킴으로써 생산 웰의 수명을 연장시킨다; 따라서 유동을 안정화시킨다.
본 발명의 기술적 솔루션은 하나 이상의 유동 안정화 장치를 통합함으로써 웰 내부에서 액체 및 가스를 상향으로 수송하도록 원하는 2 상 환형 유동 레짐을 유지하는 것이다. 그 수렴-발산 기하학적 구조로 인해, 유동 안정화 장치는 액체 상이 웰의 내부 벽 상의 필름으로서 수송되도록 유지하면서 기체 상 속도를 증가시킨다. 이것은 가스 생산 웰에서의 액체 로딩 문제를 회피하여, 수명을 연장시키고, 누적 가스 생산을 증가시키며, 액체 응축물을 회수한다. 유동 안정화 장치 구성은 상향 액체 필름 유동을 유지하기 위해 추가의 모멘텀이 필요한 웰 내의 임계 위치에서 유동을 가속시키기 위한 목적으로 설계될 수 있다. 생산 웰의 수명 동안, 유동 안정화 장치 구성은 추가의 원추형 인서트를 지지 중심 튜브 아래로 슬라이딩시키고 웰 내의 선택된 깊이에서 유동 안정화 장치 유닛을 로킹시킴으로써 업그레이드될 수 있다.
본 발명은 동일한 또는 유사한 구성 요소가 동일한 도면 부호로 표시되는 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이다 :
도 1은 본 발명의 유동 안정화 장치가 내부에 배치되어 있는 수직 웰 튜빙의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 유동 안정화 장치의 중심을 통한 가스 풍부 유동과 유동 안정화 장치 주위의 가스/액체 환형 유동 사이의 수직 웰 튜빙 내부의 상승하는 가스/액체 유동의 분리를 개략적으로 도시하는 도 1의 섹션(2-2)의 확대도이다.
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 유동 안정화 장치의 직경을 조정하기 위한 내부 메커니즘의 대안적인 실시예를 도시한다.
도 4는 유동 안정화 장치를 센터링하기 위한 종래 기술의 비-용접된 스프링 보우 센트럴라이저를 도시한다.
도 5a 및 도 5b는 하나 이상의 개구가 유동 안정화 장치의 측벽에 위치되는 대안적인 실시예를 도시한다.
도 6a, 도 6b, 도 6c 및 도 6d는 각각 유동 안정화 장치의 일 실시예의 일련의 후방 사시도, 측면도, 후방도 및 정면도이다.
도 7은 수직 웰 튜빙 내부에 위치되고 치수 설정을 위한 기준으로 표시된 유동 안정화 장치의 종 방향 측면도이다.
도 8a는 본 발명의 유동 안정화 장치의 다른 실시예의 종단면도이다.
도 8b는 본 발명의 유동 안정화 장치의 다른 실시예의 종단면도이다.
도 9a, 도 9b 및 도 9c는 유체 유동 시뮬레이션 테스트에 사용된 다양한 기하학적 구조의 개략도이다.
도 10은 4 ½ 인치 가스 생산 웰에서 도 6a, 도 6b 및 도 6c에 도시된 기하학적 구조를 사용하여 수행된 비교 전산 유체 역학 연구를 위한 기하학적 구조 데이터를 제공하는 표이다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c는 도 6a, 도 6b 및 도 6c에 도시된 기하학적 구조를 사용하고 유동 안정화 장치에 의해 유도된 액체 필름 안정화 효과를 도시하는 유체 유동 시뮬레이션 결과의 개략도이다.
도 12는 도 9a, 도 9b 및 도 9c에 도시된 기하학적 구조를 사용하고 유동 안정화 장치에 의한 가스 생산 개선을 도시하는 전산 유체 역학 결과를 제공하는 표이다.
도 13은 가스 생산에 대한 튜브 크기 변화를 비교한 그래프이다.
본 발명의 목적은 하나 또는 몇몇의 유동 안정화 장치 구성을 파이프에 통합시킴으로써 원형 단면의 수직 파이프 내에서 액체 및 가스를 상향으로 수송하기 위한 원하는 2 상 환형 유동 레짐(regime)을 생산 또는 유지하는 것이다. 본 발명의 유동 안정화 장치 구성은 상향 액체 유동을 유지하기 위해 추가의 모멘텀이 필요한 임계 위치에서 수직 파이프에서의 유동을 가속시키기 위한 목적에 유용하다. 유동 안정화 장치 구성은 가스 웰의 액체 리프팅을 향상시키기 위해 생산 칼럼, 및 액체 로딩 문제가 있는 천연 가스 생산 웰에 적용될 수 있다. 복수의 유동 안정화 장치는 서로 미리 결정된 거리를 두고 배치될 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 유동 안정화 장치(20)가 그 내부에 위치되어 있는 수직 웰 튜빙(40)의 종단면도를 도시한다. 웰 튜빙(40)의 상류 단부 내에는, 상승하는 가스/액체 유동(F)이 존재하고 가스, 액체 응축물 및 물 혼합물(31)을 생산하는 저장소(30)로 탭핑하는 것에서 발생한다. 유동 안정화 장치(20)는 제 1 정점(22)에서 끝나는 상류 단부를 향해 위치되는 제 1 부분(21)을 포함한다. 유동 안정화 장치는 제 2 정점(24)에서 끝나는 하류 단부를 향해 위치되는 제 2 부분(23)을 포함한다. 제 1 부분(21) 및 제 2 부분(23)은 교차점(25)을 따라 결합된다. 바람직한 실시예에서, 제 1 부분(21) 및 제 2 부분(23)은 원추형이지만, 다른 형상이 사용될 수도 있다. 중앙 통로는 제 1 정점(22)으로부터 제 2 정점(23)을 통해 연장된다. 구조적 지지 튜브(10)는 제 2 정점(24)에 직접 부착된다. 바람직하게는, 중앙 통로 및 구조적 지지 튜브(10)의 직경은 실질적으로 동일하다. 구조적 지지 튜브(10) 및 적어도 하나의 유동 안정화 장치(20)는 단일체로 형성될 수 있다. 제 1 및 제 2 부분의 외부 표면 각각은 서로에 대해 소정 각도로 만난다.
그 수렴-발산 기하학적 구조 덕분에, 유동 안정화 장치(20)는 가스 유동 속도를 증가시키고, 이는 액체 상으로의 모멘템 전달을 증가시킨다. 모멘텀 전달은 유체 유동에 제공되는 단면적이 최소인 유동 안정화 장치 목부에서의 유동 가속 비(Γ):
(1)
를 조정함으로써 변화된다. 위 식에서 Dh1은 제 1 및 제 2 부분 사이의 교차점의 직경이고, Dt는 구조적 지지 튜브의 내경이며, Dp는 수직 생산 튜빙의 내경이다.
유동 가속 비(Γ)는 유동 안정화 장치가 수직 가스-액체 유동의 안정화를 수행하도록 바람직하게는 범위가:
1.2 ≤ Γ ≤ 5 (2)
이다. 최적의 가속 비(Γ)는 가스 및 액체 상의 유동 레짐 및 물리적 특성에 따라 달라진다.
유동 안정화 장치의 직경 비(Δ):
(3)
는 유동 안정화 장치가 수직 칼럼에서의 유동 단면적에 원하는 막힘을 생성하도록 0 내지 2/3의 범위 내에 있어야 한다.
유동 안정화 장치(20)는 지지 중심 튜브(10)에 의해 생산 칼럼 내부의 위치에 지지되고 유지된다. 유동 안정화 장치 지지 튜브(10)의 직경(Dt)은 바람직하게는:
0.2 인치 < Dt < 0.5 인치 (4)
사이이다.
4-½ 인치 또는 5-½ 인치 직경의 생산 튜빙(40)으로 완성되는 전형적인 가스 생산 웰에 대해, 1 인치 직경 이상의 큰 지지 튜브(10)가 바람직할 것인데, 왜냐하면 이는 유동 안정화 장치(20)를 제조하고 설치하기 위한 저가의 옵션을 제공하는 표준 코일형 튜빙으로서 상업적으로 이용 가능하기 때문이다.
유동 안정화 장치(20)는 바람직하게는 강성 내식성 재료로 제조된다. 재료는 금속, 슬리브형 금속 또는 비-금속성일 수 있다. 공압식, 유압식 또는 전기식 메커니즘이 유동 안정화 장치(20)의 수직 위치를 조정하고 생산 칼럼(40)의 원하는 높이에서 유동 안정화 장치의 위치를 고정하는데 사용된다.
유동 안정화 장치의 다른 실시예에서, 환형 통로 또는 목부의 단면적은 Dh1을 변화시키고 이에 따라 유동 조건에 의해 요구되는 모멘텀 및 액체 비말 동반을 제어하기 위해 상향/하향 슬라이딩 메커니즘을 통해 조정될 수 있다. 예를 들어, 모션 액추에이터는 전기식, 유압식 또는 공압식 작동을 통해 작동할 수 있다.
예를 들어, 도 3a는 커넥터(51)를 통해 부착 부재(52)에 결합되는 모션 액추에이터(50)를 도시한다. 부착 부재(52)는 유동 안정화 장치의 내부 표면에 결합된다. 모션 액추에이터(50)는 방향(53)을 따라 부착 부재(52)의 이동을 제어한다. 따라서, 교차점(25)의 위치는 모션 액추에이터에 의해 제어될 수 있는데, 여기서 교차점(25)은 2 개의 강성 아암의 교차점에서 힌지 연결된 또는 가요성 연결 지점일 수 있다. 이 실시예에서, 강성 아암의 두 개 이상의 세트가 유동 안정화 장치의 내부 표면을 따라 반경 방향으로 대칭적으로 분포되어 유동 안정화 장치의 직경을 조정하기 위한 프레임워크를 생성한다.
유동 안정화 장치의 다른 실시예에서, 유동 안정화 장치의 외부 표면은 가요성이고, 내부 메커니즘에 의해, Dh1을 변화시키고 이에 따라 유동 조건에 의해 요구되는 모멘텀 및 액체 비말 동반을 제어하기 위해 목부 갭의 조정을 가능하게 한다. 예를 들어, 도 3b는 커넥터(61)를 통해 부착 부재(62)에 결합되는 모션 액추에이터(60)를 도시한다. 부착 부재(62)는 유동 안정화 장치의 내부 표면에 결합된다. 모션 액추에이터(60)는 방향(63)을 따라 부착 부재(62)의 이동을 제어한다. 따라서, 교차점(25)의 위치는 모션 액추에이터에 의해 제어될 수 있다. 이 실시예에서, 2 개 이상의 세트의 부착 부재(63)는 유동 안정화 장치의 내부 표면을 따라 반경 방향으로 대칭적으로 분포되어 유동 안정화 장치의 직경을 조정하기 위한 프레임워크를 생성한다.
유동 안정화 장치의 다른 실시예에서, 도 3c는 커넥터(71)를 통해 부착 부재(72)에 결합되는 모션 액추에이터(70)를 도시한다. 액추에이터(70) 및 부착 부재(72)는 강성 아암을 통해 유동 안정화 장치의 내부 표면에 개별적으로 결합된다. 모션 액추에이터(70)는 방향(73)을 따라 부착 부재(72)의 이동을 제어하며, 이는 차례로 강성 아암의 위치를 제어한다. 따라서, 교차점(25)의 위치는 모션 액추에이터에 의해 제어될 수 있다. 이 실시예에서, 2 개 이상의 세트의 강성 아암은 유동 안정화 장치의 내부 표면을 따라 반경 방향으로 대칭적으로 분포되어 유동 안정화 장치의 직경을 조정하기 위한 프레임워크를 생성한다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 유동 안정화 장치의 직경은 실선으로 도시된 위치로부터 시작하여 조정될 수 있고, 대안적인 위치는 출발 위치의 어느 한 측면에서 점선으로 도시되어 있다. 도시된 다양한 위치는 단지 예시적인 것이며, 임의의 다른 위치가 모션 액추에이터의 구성에 따라 달성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 다른 실시예에서, 가요성 링이 유동 안정화 장치의 최외곽 직경의 대체로 원형 단면을 유지하기 위해 교차점(25)의 프레임워크를 형성할 수 있다.
유동 안정화 장치는 유동 안정화 장치 지지 튜브(10) 상에 위치된 센터링 기계 장치와 같은 임의의 수단에 의해 또는 유동 안정화 장치를 형성하는 원추형 인서트의 일부에 부착된 리브 또는 센터링 윙렛을 사용하여 생산 칼럼(40)에서 센터링될 수 있다. 예를 들어, 도 4는 유동 안정화 장치를 센터링하기 위한 종래 기술의 비-용접된 스프링 보우 센트럴라이저를 도시한다.
다른 실시예에서, 유동 안정화 장치(20)는 공지된 압력 제어 장치(도시되지 않음)와 조합하여 사용되어, 칼럼 내부의 상승 유동을 도 2의 직경(Dt)을 갖는 유동 안정화 장치의 제 1 정점(22)에 형성된 개구에서의 중심 튜브를 통한 가스 풍부 유동(F1) 및 유동 안정화 장치 주위의 가스 + 액체 환형 유동(F2)으로 분할한다. 압력 제어 장치는 생산 칼럼의 상단 또는 웰 헤드에서, 중심 튜브와 환형 유동 섹션 사이의 일정한 정압차를 유지할 수 있는 임의의 선행 기술의 시스템일 수 있다. 이 실시예는 중공 유동 안정화 장치(Hollow Flow Stabilizing Device) 또는 HFSD로 명명된다. HFSD의 예측된 이점은 총 가스 생산 속도를 최대화하기 위해 정압차를 계속적으로 조정함으로써 생산 공정을 최적화하는 방법이라는 점이다.
다른 실시예에서, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 유동 안정화 장치는 가스 또는 액체(28)를 구조적 지지 튜브(10)를 통해 생산 칼럼 내로 아래로 주입하여 생산 칼럼(40)의 벽에서 액체 필름을 안정화시키는 것을 도울 수 있는 가압 시스템과 조합하여 사용된다. 이 실시예에서, 유동 안정화 장치는 원추형 인서트의 임의의 부분 내에 또는 원추형 인서트를 지지하는 중심 튜브 내의 원추형 인서트 위에 분포된 홀 또는 슬롯(26)을 구비할 수 있다. 이 실시예는 주입 유동 안정화 장치(Injection Flow Stabilizing Device) 또는 IFSD로 지칭된다. IFSD의 예측된 이점은 가압 가스 주입(칼럼 벽에서 향상된 액체 필름 안정화를 발생시키는 추가된 가스 리프트 효과) 및/또는 화학 첨가제 주입(저용량 액체 필름 안정화제 또는 점성 증가제 또는 계면 활성제)에 의한 보조된 유동 안정화 효과이다. 이 실시예에서, 플러그(27)는 유동 안정화 장치의 제 1 정점(22)에 위치되어 주입된 가스 또는 액체(28)를 개구(26)를 통해 유도한다.
도 6은 유동 안정화 장치의 일 실시예의 다른 도면을 도시한다.
도 7은 수직 웰 튜빙 내에 위치되고 치수 설정을 위한 기준으로 표시된 유동 안정화 장치의 종 방향 측면도이다. 유동 안정화 장치에 대한 실제 치수는 기존 튜빙 치수에 따라 달라지며, 생산 라이닝을 수용할 수 있도록 특별히 선택될 것이다. 본 발명의 적용에 적합한 오일 및 가스 산업 분야에는 광범위한 튜빙 크기가 존재한다. 예를 들어, 오일 및 가스 생산을 위한 표준 생산 튜빙 크기는 작게는 1/2 인치에서부터 크게는 5 ¼ 인치 또는 그 이상으로 다양하다.
대안적인 실시예에서, 유동 안정화 장치는 그 지지 중심 튜브(10)를 따라 배치된 2 개 이상의 원추형 인서트로 구성된다. 또한, 도 8a 및 도 8b는 이러한 실시예의 2 개의 비-제한적인 예를 도시한다.
도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명자는 본 발명의 유동 안정화 장치의 유효성을 증명하고, 실제 적용에 관심 있는 유량 및 가스 체적 분율(GVF)의 범위에서, 생산 칼럼의 내부 벽에서 액체 필름을 안정화시키기 위한 유동 안정화 장치 설계를 최적화하기 위해, 전산 유체 역학(CFD) 시뮬레이션 작업을 수행하였다.
제 1 스테이지에서, 본 발명자들의 연구는 개방 관형(도 9c 참조) 및 속도 스트링이 구비된 동일한 관형 구성(도 9b 참조)으로 환형의 수직의 2 상 유동을 모델링하는 목적을 갖고, 이러한 기하학적 구조에서의 상이한 유동 구조를 이해하고 종래 기술의 성능을 정량화하는 기준 데이터 포인트 세트를 확립하는 것이다. 도 9b에 따르면, 코일형 튜빙 속도 스트링은 액체를 리프팅시키고 가스 웰을 언로딩하는데 필요한 임계 속도 이상으로 생산 가스 속도를 상승시키기 위해 생산 튜빙에 삽입된 더 작은 직경의 튜브이다. 그런 다음 CFD 모델은 본 발명에 따른 "리버스-벤튜리" 또는 유동 안정화 장치(도 9a 참조)를 사용하여 진행되어 환형 유동 레짐에 대한 영향을 평가하고 유동 특성을 기준 데이터 세트와 비교한다. CFD로 테스트된 3 개의 기하학적 구조가 도 9a(지지 튜브에 부착된 유동 안정화 장치), 도 9b(속도 스트링) 및 도 9c(개방 관형 구성)에 개략적으로 도시되어 있다.
통상적으로, 웰 내부의 가스 생산은 환형 가스-액체 유동 레짐으로 작동한다. 환형 유동 레짐의 불안정화는 가스 유량의 감소와 함께 발생한다. 또한, 도 10, 도 11 및 도 12는 응축물이 1 체적%인 가스를 생산하는 4 ½인치 튜빙 내부에서의 비교 CFD 사례 연구의 주요 결과를 나타낸다. 이 예에서, 개방형 튜빙(도 9c 참조), 코일형 튜빙 속도 스트링(도 9b 참조) 및 코일형 튜빙 상에 장착된 유동 안정화 장치(도 9a 참조) 내에서 2 상 유동 환형 레짐을 연속적으로 모델링하고, 이들 기하학적 구조는 도 10에 도시된 표에 보고된 치수를 갖고, 수직 튜빙 길이는 20 미터이다. 유동 조건은 각각의 경우에서 환형 유동 레짐을 얻기 위해 선택되었다. 그러나, 평균 가스 속도는 도 12의 표에 도시된 비교 결과를 얻기 위해 속도 스트링 및 유동 안정화 장치 실험에서 동일하게 선택된다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c에 도시된 플롯은 액체 필름 두께를 나타낸다. 도 11b에 도시된 속도 스트링의 경우에, 유동 레짐은 초기에 다운 홀 영역에서 처닝-난류 상태(churn-turbulent)로 된 다음 환형으로 전이된다.
도 12는 계산된 평균 생산된 가스 속도 및 대응하는 압력 손실 계수를 표시하므로 속도 스트링 기술에 비해 본 발명의 이점의 증거를 제공한다(도 9b 참조). 도 12에 도시된 바와 같이, 배출 계수(C)는 이상적인 유량(Qideal)에 대한 실제 유량(Qactual)의 비로서 정의되고, 다음과 같이 계산된다:
(5)
위 식에서 Dh1은 제 1 및 제 2 부분 사이의 교차점의 직경이고, Dt는 구조적 지지 튜브의 내경이며, Dp는 수직 생산 튜빙의 내경이고, △P는 유동 안정화 장치에 걸친 압력 강하이고, ρ는 2 상 유체 혼합물의 밀도이다.
유동 안정화 장치는 단면 유동 면적의 미세한 감소를 통해 가스 속도를 증가시키고, 안정된 환형 유동 레짐에서 웰을 작동시킴으로써 환형 필름을 안정화시키고 필름 반전을 방지함으로써 가스 웰 작동 범위를 연장시킨다. 인버스 벤튜리 기하학적 구조의 점진적인 제한은 유동 안정화 장치로 인한 압력 강하를 최소화하고, 유동 안정화 장치의 하류의 압력 회복을 최적화한다. 유동 안정화 장치의 이점은 유동 안정화 장치의 기하학적 구조에 의해 달성되는 압력 회복으로 인해 더 높은 유량을 유지할 수 있다는 것이다. 인버스 벤튜리 기하학적 구조의 점진적인 제한은 유동 안정화 장치로 인한 압력 강하를 최소화하고 유동 안정화 장치의 하류의 압력 회복을 최적화한다. 유동 안정화 장치와 함께 또는 HFSD가 있는 중심 튜브와 조합되어 유동을 위해 이용될 수 있는 환형 영역은 환형 유동 레짐 및 안정한 액체 필름을 달성하도록 규정된다. 예를 들어, 유동 안정화 장치로 구성된 4 ½인치 튜빙 웰은 도 9 내지 도 12에 주어진 예에 도시된 바와 같은 등가의 환형 유동 레짐을 유지하기 위해 코일형 튜빙 속도 스트링에 비해 400 %의 가스 생산 증가를 허용할 것이다.
본 발명의 방법 및 장치는 위에서 그리고 첨부된 도면에서 설명되었다; 그러나, 변형은 당업자에게 명백할 것이며, 본 발명에 대한 보호범위는 다음의 청구범위에 의해 정의될 수 있다.

Claims (15)

  1. 상향의 2 상 유체 혼합물 유동을 유지하기 위해 수직 생산 튜빙(40) 내에 위치되는 유동 안정화 장치(20)로서,
    상류를 향하는 원추형의 제 1 부분(21) - 상기 제 1 부분의 원위 단부는 상류를 향하는 제 1 정점(22)을 형성함 - ;
    하류를 향하는 원추형의 제 2 부분(23) - 상기 제 2 부분의 원위 단부는 하류를 향하는 제 2 정점(24)을 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 부분의 외부 표면 각각이 서로에 대해 소정 각도로 만남 - ;
    상기 제 1 정점으로부터 상기 제 2 정점을 통해 연장되는 통로; 및
    상기 제 2 정점에 직접 부착되어 상기 제 2 정점으로부터 축 방향으로 연장되고, 전체적으로 상기 수직 생산 튜빙(40) 내에 배치되는 구조적 지지 튜브(10)
    를 포함하고,
    상기 유동 안정화 장치는 상기 유동 안정화 장치(20)의 외부 표면이 상기 수직 생산 튜빙(40)의 인접하는 내부 벽과 접촉하지 않도록 치수가 설정되고 구성되며, 상기 제 1 부분(21)의 외부 표면은 유동하는 상기 2 상 유체 혼합물의 경로를 차단하고 편향시키도록 구성되는 고체 표면을 형성하고, 상기 혼합물의 제 1 부분은 상기 통로를 통해 유동하며, 상기 혼합물의 제 2 부분은 상기 유동 안정화 장치 주위로 유동하는 것인 유동 안정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    모멘텀 전달은 유체 유동에 제공되는 단면적이 최소인 유동 안정화 장치 목부(throat)에서의 유동 가속 비(Γ):

    를 조정함으로써 변화되고, 위 식에서 Dh1은 상기 제 1 및 제 2 부분 사이의 교차점의 직경이고, Dt는 상기 구조적 지지 튜브의 내경이며, Dp는 상기 수직 생산 튜빙의 내경인 것을 특징으로 하는 유동 안정화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 안정화 장치의 유동 가속 비(Γ)는 범위가
    1.2 ≤ Γ ≤ 5
    인 것을 특징으로 하는 유동 안정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 유동 안정화 장치의 직경 비(Δ):

    는 상기 유동 안정화 장치가 상기 수직 생산 튜빙에서의 유동 단면에 원하는 차단을 생성하도록 0 내지 2/3의 범위 내에 있고, 위 식에서 Dh1은 상기 제 1 및 제 2 부분 사이의 교차점의 직경이고, Dt는 상기 구조적 지지 튜브의 내경인 것을 특징으로 하는 유동 안정화 장치.
  5. 가스-액체 유체의 유동하는 2 상 유체 혼합물을 이송하기 위한 수직 생산 튜빙(40)에 있어서,
    상기 수직 생산 튜빙(40)은 구조적 지지 튜브(10)를 따라 상기 수직 생산 튜빙(40) 내에 위치되는 제 1 항의 적어도 하나의 유동 안정화 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 생산 튜빙.
  6. 제 5 항에 있어서,
    서로 미리 결정된 거리를 두고 배치된 복수의 유동 안정화 장치(20)를 포함하는, 수직 생산 튜빙.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 유동 안정화 장치(20) 중 적어도 하나는 상기 유동 안정화 장치 중 다른 것 또는 다른 것들과 상이한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 수직 생산 튜빙.
  8. 제 5 항에 있어서,
    적어도 하나의 유동 안정화 장치(20)는 상기 제 1 부분(21)으로부터 상기 제 2 부분(23)까지 연장되는 중심 축을 중심으로 대칭인 것을 특징으로 하는 수직 생산 튜빙.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 구조적 지지 튜브(10)의 직경(Dt)은:
    0.2 인치 < Dt < 0.5 인치
    사이인 것을 특징으로 하는 수직 생산 튜빙.
  10. 제 5 항에 있어서,
    배출 계수(C)는 이상적인 유량(Qideal)에 대한 실제 유량(Qactual)의 비로서 정의되고,

    로서 계산되며, 위 식에서 Dh1은 상기 제 1 및 제 2 부분 사이의 교차점의 직경이고, Dt는 상기 구조적 지지 튜브의 내경이며, Dp는 상기 수직 생산 튜빙의 내경이고, △P는 상기 유동 안정화 장치에 걸친 압력 강하이고, ρ는 상기 2 상 유체 혼합물의 밀도인 것을 특징으로 하는 수직 생산 튜빙.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 구조적 지지 튜브(10) 및 상기 적어도 하나의 유동 안정화 장치(20)는 단일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직 생산 튜빙.
  12. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유동 안정화 장치(20)의 외부 표면의 직경을 조정하기 위해 상기 적어도 하나의 유동 안정화 장치(20)의 내부 표면에 부착된 모션 액추에이터(50, 60, 70)를 더 포함하는, 수직 생산 튜빙.
  13. 제 5 항에 있어서,
    상기 수직 생산 튜빙은 상기 유동 안정화 장치(20)의 측벽에 위치된 적어도 하나의 개구(26)를 더 포함하고, 상기 적어도 하나의 개구는 상기 제 2 부분(23)으로부터 상기 제 1 부분(21)으로의 방향으로 상기 구조적 지지 튜브(10)를 통해 주입된 가스 또는 액체를 상기 적어도 하나의 개구(26)를 통해 상기 유동 안정화 장치(20) 외부로 통과시키는 것인, 수직 생산 튜빙.
  14. 내부 표면을 갖는 수직 생산 튜빙(40)에서 2 상 유체 혼합물 유동의 속도를 가속시키는 방법으로서,
    상기 방법은 구조적 지지 튜브(10)를 따라 상기 수직 생산 튜빙(40) 내에서 중심에 위치되는 유동 안정화 장치(20)를 제공하는 단계 - 상기 구조적 지지 튜브(10)는 전체적으로 상기 수직 생산 튜빙 내에 배치됨 - 를 포함하고,
    상기 유동 안정화 장치(20)는,
    상류를 향하는 원추형의 제 1 부분(21) - 상기 제 1 부분의 원위 단부는 상류를 향하는 제 1 정점(22)을 형성함 - ;
    하류를 향하는 원추형의 제 2 부분(23) - 상기 제 2 부분의 원위 단부는 하류를 향하는 제 2 정점(24)을 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 부분의 외부 표면 각각이 서로에 대해 소정 각도로 만남 - ; 및
    상기 제 1 정점으로부터 상기 제 2 정점을 통해 연장되는 중앙 통로
    를 포함하고,
    상기 유동 안정화 장치는 상기 유동 안정화 장치(20)의 외부 표면이 상기 수직 생산 튜빙(40)의 인접하는 내부 벽과 접촉하지 않도록 치수가 설정되고 구성되며, 상기 제 1 부분(21)의 외부 표면은 유동하는 상기 2 상 유체 혼합물의 경로를 차단하고 편향시키도록 구성되는 고체 표면을 형성하고, 상기 혼합물의 제 1 부분은 상기 통로를 통해 유동하며, 상기 혼합물의 제 2 부분은 상기 유동 안정화 장치 주위로 유동하는 것인 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유동 안정화 장치의 측벽에 위치되는 적어도 하나의 개구(26)를 상기 유동 안정화 장치(20)에 제공하는 단계; 및
    상기 제 2 부분(23)으로부터 상기 제 1 부분(21)으로의 방향으로 상기 구조적 지지 튜브(10)를 통해 가스 또는 액체를 주입하고, 상기 가스 또는 액체를 상기 적어도 하나의 개구(26)를 통해 상기 유동 안정화 장치(20) 외부로 통과시키는 단계
    를 더 포함하는, 방법.
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