NO174567B

NO174567B - Procedure and apparatus for measuring leakage especially over broenn head valves and annular seals

Info

Publication number: NO174567B
Application number: NO905406A
Authority: NO
Inventors: Jens Myklebust
Original assignee: Jens Myklebust
Priority date: 1990-12-14
Filing date: 1990-12-14
Publication date: 1994-02-14
Also published as: NO905406L; WO1992010732A1; NO905406D0; AU9038291A; NO174567C

Description

Denne oppfinnelse vedrører et måleapparat til måling av lekkasjemengde over potensielle lekkasjekilder såsom ventiler, særlig brønnhodeventiler, og ringromtetninger (produksjonspakninger) ved olje/gass-brønner, omfattende en beholder. Oppfinnelsen vedrører likeledes en fremgangsmåte ved lekkasjemåling ved hjelp av nevnte måleapparat. This invention relates to a measuring device for measuring the amount of leakage over potential sources of leakage such as valves, in particular wellhead valves, and annulus seals (production seals) at oil/gas wells, comprising a container. The invention also relates to a method for leakage measurement using said measuring device.

Slike målinger blir foretatt blant annet for 'å danne grunn-lag for en vurdering om hvorvidt brønnhodeventiler/ringromtetninger bør overhales eller skiftes ut. Tetningsflåtene på brønnhodeventiler og produksjonspakninger vil nemlig etter en tids bruk slites og svekkes slik at de ikke lenger sikrer fullstendig tetting. En brønnhodeventil kan koste i størrel-sesorden kr 1.000.000,- mens utskiftning av nedre produksjonspakning i ringrom kan beløpe seg til den tidoble sum. Det medfører derfor enorme ekstrakostnader å skifte ut Such measurements are carried out, among other things, to form the basis for an assessment of whether wellhead valves/annulus seals should be overhauled or replaced. The sealing rafts on wellhead valves and production seals will wear out and weaken after a period of use so that they no longer ensure complete sealing. A wellhead valve can cost in the order of NOK 1,000,000, while replacement of the lower production seal in the annulus can amount to ten times that amount. It therefore entails enormous additional costs to replace

nevnte ventil henholdsvis pakning før det er absolutt på-krevet. Dessuten vil det innebære en åpenbar fordel å kunne skifte ut ventil/pakning i forbindelse med en planlagt stans i produksjonen, slik at man slipper å stanse produksjonen utelukkende på grunn av utskiftingsoperasjonen. Fremgangsmåten og apparatet vil også kunne benyttes for å måle even-tuell lekkasje i rør mellom ringromtetninger. said valve or gasket before it is absolutely required. In addition, it would be an obvious advantage to be able to replace the valve/gasket in connection with a planned stop in production, so that one does not have to stop production solely because of the replacement operation. The method and the device can also be used to measure any leakage in pipes between annulus seals.

API-spesifikasjon 14H fastsetter kriterier for tillatt lek-kas j emengde per tidsenhet for ventil/pakning før reparasjon/ utskifting må iverksettes. Ved mindre lekkasje regnes API specification 14H lays down criteria for the permitted leakage quantity per unit of time for the valve/gasket before repair/replacement must be carried out. In case of minor leakage, it is counted

ventil/pakning som akseptabelt operativ. valve/gasket as acceptably operational.

Det er derfor av den aller største betydning å kunne oppnå en så nøyaktig måling som mulig, slik at man kan utsette overhalingen/utskiftingen til det gunstigste tidspunkt, nemlig til en planlagt produksjonsstans, selvsagt forutsatt at tillatt lekkasjemengde per tidsenhet ikke overskrides før denne driftsstans. It is therefore of the utmost importance to be able to achieve as accurate a measurement as possible, so that the overhaul/replacement can be postponed to the most favorable time, namely to a planned production shutdown, of course provided that the permitted amount of leakage per unit of time is not exceeded before this shutdown.

Ved dagens teknikk kan det ikke oppnås den nødvendige nøy-aktighet i lekkasjemålingene. Når man skal teste om en brønnhodeventil eller en ringromtetning (produksjonspakning) lekker (for meget), stenges angjeldende ventil (med fullt trykk oppstrøms ventilen) samt samtlige ventiler i rørsy-stemet nedstrøms den ventil som testes. Som følge herav vil trykket stige i det avstengte rørsystem, og det er denne trykkstigning som ifølge tradisjonell teknikk blir benyttet som underlag for bestemmelse av lekkasjemengden. Man regner da ut det avstengte rørsystems innvendige volum, og finner deretter gasslekkasjemengden ved hjelp av en relativt kom-plisert beregning hvor man tar hensyn til trykkstigning og temperatur. With today's technology, the necessary accuracy in the leakage measurements cannot be achieved. When testing whether a wellhead valve or an annulus seal (production gasket) is leaking (too much), the valve in question is closed (with full pressure upstream of the valve) as well as all valves in the piping system downstream of the valve being tested. As a result, the pressure will rise in the closed pipe system, and it is this pressure rise which, according to traditional techniques, is used as a basis for determining the amount of leakage. One then calculates the internal volume of the closed pipe system, and then finds the amount of gas leakage using a relatively complicated calculation where pressure rise and temperature are taken into account.

Trykkstigningen måles som oftest ved hjelp av et manometer og en trykkskriver. Målingen tar vanligvis 1 time. The pressure rise is usually measured using a manometer and a pressure recorder. The measurement usually takes 1 hour.

Denne kjente målemetode og.den apparatur som tjener til dens utførelse, gir unøyaktige og usikre resultater, hvilket i hovedsak skyldes dels at det avstengte rørsystems innvendige volum ofte er vanskelig å bestemme nøyaktig grunnet av-greninger, ventiler, eventuelle væskeansamlinger etc, dels at væskeandelen av lekkasjemengden ikke kan bestemmes. Der-som deler av nevnte volum er fylt med væske, vil resultatet bli større trykkoppbygging enn antatt og følgelig feil måle-resultat. Dessuten kan man ikke se bort fra regnefeil. Be-slutninger tas ofte ut fra personlige vurderinger og vil variere fra person til person. This known measuring method and the apparatus used to carry it out give inaccurate and uncertain results, which is mainly due partly to the fact that the internal volume of the closed pipe system is often difficult to determine accurately due to branches, valves, possible liquid accumulations etc., partly due to the fact that the proportion of liquid of the leakage amount cannot be determined. Where parts of the mentioned volume are filled with liquid, the result will be a greater pressure build-up than assumed and consequently an incorrect measurement result. Furthermore, calculation errors cannot be ignored. Decisions are often based on personal assessments and will vary from person to person.

NO patent nr. 134.174 omhandler en anordning for prøving av tettheten hos tanker, beholdere og rørledninger, hvor lekkasjemengden blir sluppet inn i måleapparatets beholder. Dette kjente måleapparat som er basert på elektrisk strøm-forsyning, kan ikke benyttes i forbindelse med lekkasje-målinger ved for eksempel brønnhoder, hvor eksplosjonsfaren er overhengende. Det kjente måleapparat kan heller ikke brukes for lekkasjemåling i forbindelse med tofasestrømmer inneholdende såvel væske som gass, men egner seg kun for måling av lekkasjer hvor mediet enten er ren væske eller ren gass. NO patent no. 134,174 deals with a device for testing the tightness of tanks, containers and pipelines, where the amount of leakage is let into the container of the measuring device. This known measuring device, which is based on an electric current supply, cannot be used in connection with leakage measurements at, for example, wellheads, where the danger of explosion is imminent. The known measuring device also cannot be used for leakage measurement in connection with two-phase flows containing both liquid and gas, but is only suitable for measuring leaks where the medium is either pure liquid or pure gas.

Et lekkasjemåleapparat ifølge NO patent nr. 134.174 har således sine åpenbare anvendelsesbegrensninger, som tilsiktes avhjulpet ved den foreliggende oppfinnelse. A leakage measuring device according to NO patent no. 134,174 thus has its obvious application limitations, which are intended to be remedied by the present invention.

GB patent nr. 1.3 66.3 07 omhandler kun påvisning av lekkasje. Det er med denne kjente fremgangsmåte og tilsvarende måleapparat ikke mulig å iverksette lekkasjemengdemåling, men GB patent no. 1.3 66.3 07 only deals with detection of leakage. With this known method and corresponding measuring device, it is not possible to measure the amount of leakage, but

bare å påvise hvorvidt det foreligger en lekkasje eller ikke. only to demonstrate whether or not there is a leak.

GB patent nr. 1.137.472 omhandler et apparat for kontroll av tettheten ved hydrauliske stempelsylindre. Dette kjente måleapparat egner seg kun til måling av meget små lekkasjemengder og har ikke kapasitet til å måle en kontinuerlig gass-lekkasje. Denne kjente teknikk er likeledes uegnet til måling av tofasestrøm. GB patent no. 1,137,472 deals with an apparatus for checking the tightness of hydraulic piston cylinders. This known measuring device is only suitable for measuring very small leakage amounts and does not have the capacity to measure a continuous gas leak. This known technique is likewise unsuitable for measuring two-phase current.

NO patentsøknad nr. 890876 beskriver en anordning for separering av olje og gass ved et undervannsbrønnhode. Bortsett fra at denne kjente separator har en betydelig høyde, repre-senterer publikasjonen ikke noe utover tradisjonell sepa-rer ingsteknikk, og det er ikke nevnt noe om måling av 1ekkas j emengde. NO patent application no. 890876 describes a device for separating oil and gas at an underwater wellhead. Apart from the fact that this known separator has a considerable height, the publication does not represent anything beyond traditional separation techniques, and nothing is mentioned about measuring the amount of 1ekka.

DK utlegningsskrift nr. 139.738 omhandler en anordning for overvåking av nedgravde tanker og ledninger med hensyn på tetthet. Denne kjente anordning er ikke innrettet til å kunne DK design document no. 139,738 deals with a device for monitoring buried tanks and lines with regard to tightness. This known device is not designed to be able to

foreta målinger av lekkasjemengde. carry out measurements of the amount of leakage.

Formålet med denne oppfinnelse er å anvise et apparat The purpose of this invention is to provide an apparatus

til måling av lekkasje over ventiler, særlig brønnhodeven-tiler, og ringromtetninger ved olje- og/eller gassbrønner hvor det enkelt og hurtig sørges for meget nøyaktige måleresultater, hvilket måleapparat ikke har de anvendelsesbegrensninger som kjent teknikk lider av. for measuring leakage over valves, especially wellhead valves, and annulus seals at oil and/or gas wells where very accurate measurement results are easily and quickly ensured, which measuring device does not have the application limitations that known technology suffers from.

Nevnte formål er realisert ved de trekk som fremgår av de etterfølgende patentkrav. Said purpose is realized by the features that appear in the subsequent patent claims.

Oppfinnelsen går således i det vesentlige ut på å legge forholdene slik til rette at lekkasjemengden (gass og/eller væske) ved et potensielt lekkasjested i sin helhet slippes inn i et måleapparat som er innrettet for direkte måling av både gass- og væskemengde. The invention thus essentially consists of arranging the conditions in such a way that the leakage amount (gas and/or liquid) at a potential leakage point is allowed in its entirety into a measuring device which is designed for direct measurement of both gas and liquid amounts.

Måleapparatet ifølge oppfinnelsen er således helt uavhengig av innvendig volum i et avstengt rørsystem, og den gir opp-hav til enkel og pålitelig avlesning av lekkasjemengder. Gassmengden kan leses av i forhold til en tidligere utar-beidet og kalibrert kurve basert på termometer- og manometeravlesninger. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er rask, idet fra fem til ti minutters avlesningstid vanligvis er tilstrekkelig for å oppnå sluttresultatet for lekkasje-mengdemålingen. Dette resulterer i minimal produksjonsstans under testingen. The measuring device according to the invention is thus completely independent of the internal volume in a closed pipe system, and it gives rise to a simple and reliable reading of leakage amounts. The amount of gas can be read off in relation to a previously prepared and calibrated curve based on thermometer and manometer readings. The method according to the invention is fast, as a reading time of five to ten minutes is usually sufficient to obtain the final result for the leakage quantity measurement. This results in minimal production downtime during testing.

Apparatet ifølge oppfinnelsen kan også brukes for testing av andre ventiler enn brønnhodeventiler, og apparatet er uavhengig av lekkasjemediets beskaffenhet, idet det hånd-terer to-faselekkasjer og rene væske- og gasslekkasjer. The apparatus according to the invention can also be used for testing valves other than wellhead valves, and the apparatus is independent of the nature of the leaking medium, as it handles two-phase leaks and pure liquid and gas leaks.

Et eksempel på en utførelsesform av oppfinnelsen forklares nærmere i det etterfølgende i tilknytning til medfølgende skjematiske tegning, hvor eneste figur i sideriss viser et apparat ifølge oppfinnelsen i forbindelse med en olje/gass-brønn, hvor målestokk for apparat og brønn selvsagt ikke stemmer overens, idet det dreier seg om en rent skjematisk illustrasjon. An example of an embodiment of the invention is explained in more detail below in connection with the accompanying schematic drawing, where the only figure in side view shows an apparatus according to the invention in connection with an oil/gas well, where the scale of apparatus and well obviously do not match, as it is a purely schematic illustration.

I tegningsfiguren betegner henvisningstallet 1 et brønn-hode, mens 2 og 3 angir henholdsvis produksjonsforingsrør og produksjonsrør, idet det mellomliggende ringrom er betegnet med 4. In the drawing figure, the reference number 1 denotes a wellhead, while 2 and 3 denote production casing and production pipe respectively, the intermediate annulus being denoted by 4.

Plattformdekkets nivå er angitt ved 5 og havbunnen ved 6. The level of the platform deck is indicated at 5 and the seabed at 6.

7 og 8 betegner henholdsvis nedre og øvre ringromtetning eller produksjonspakning. 7 and 8 respectively denote lower and upper annulus sealing or production packing.

Det er anordnet eksempelvis to måleuttak 9 og 9' for testing av brønnhodeventiler 10 og 10' med hensyn på lekkasje, samt ett motsvarende måleuttak 11 for testing av ringromtetning-ene 7 og 8. Andre, ikke viste ventiler kan være tilordnet lignende måleuttak. For example, there are two measuring outlets 9 and 9' for testing wellhead valves 10 and 10' with regard to leakage, as well as one corresponding measuring outlet 11 for testing the annulus seals 7 and 8. Other valves, not shown, can be assigned similar measuring outlets.

Ved den viste målesituasjon er brønnhodeventilens 10' måleuttak 9' koplet til en fleksibel rørledning eller slange 12 som fører til en innløpsventil 13 på et apparat 14 ifølge oppfinnelsen og som er tilordnet en sikkerhetsventil 15. Innløpsventil 13 og sikkerhetsventil 15 er anordnet på et rør 16 hvis ene ende er sluttet til slangen 12, mens dets annen ende munner ut i apparatets 14 beholder 17, et stykke ovenfor beholderens avrundede nedre endeparti 17<1>. In the measurement situation shown, the measuring outlet 9' of the wellhead valve 10' is connected to a flexible pipeline or hose 12 which leads to an inlet valve 13 on a device 14 according to the invention and which is assigned a safety valve 15. Inlet valve 13 and safety valve 15 are arranged on a pipe 16 one end of which is connected to the hose 12, while its other end opens into the container 17 of the device 14, a distance above the container's rounded lower end part 17<1>.

Beholderen 17 er innrettet for separering av væske og gass og omfatter en dråpeutskiller 18. Øverst er beholderen 17 avsluttet med en blindflens 19 og en ovenforliggende sikkerhetsventil 15' . The container 17 is designed for separating liquid and gas and comprises a drop separator 18. At the top, the container 17 is finished with a blind flange 19 and an overlying safety valve 15'.

Umiddelbart over dråpeutskilleren 18 fører en første rørled-ning 2 0 fra beholderen 17 til en måleblende og differanse-trykkmåler 21, hvorfra rørledningen 20 fører til en andre rørledning 22 som er koplet til separatorbeholderens 17 bunn 17'. Mellom første rørlednings 20 tilkoplingspunkt ved andre rørledning 22 og sistnevntes tilkoplingspunkt ved beholderbunnen 17' er innskutt en avløpsventil 23. Immediately above the drop separator 18, a first pipeline 20 leads from the container 17 to a measuring diaphragm and differential pressure gauge 21, from which the pipeline 20 leads to a second pipeline 22 which is connected to the bottom 17' of the separator container 17. A drain valve 23 is inserted between the first pipeline 20's connection point at the second pipeline 22 and the latter's connection point at the container bottom 17'.

En tredje rørledning 24 er koplet til beholderens 17 av-løpsledning 22 og et punkt på beholderen 17 nedenfor dråpeutskilleren 18, og er forsynt med et manometer 25 og et nivåglass 26. A third pipeline 24 is connected to the drain line 22 of the container 17 and a point on the container 17 below the drop separator 18, and is equipped with a manometer 25 and a level glass 26.

Umiddelbart nedenfor dråpeutskilleren 18 er det anordnet et termometer 27. A thermometer 27 is arranged immediately below the drop separator 18.

Fra rørledningenes 20 og 22 sammenkoplingspunkt fører en andre slange 12' til et lukket avløp 28. From the connection point of the pipelines 20 and 22, a second hose 12' leads to a closed drain 28.

Ved hjelp av det viste apparat utføres målemetoden som føl-ger: Den ventil 10' som skal testes stenges (fullt brønn-trykk før ventilen). Den fleksible slange 12 koples til ut-taket 9' etter ventilen, hvoretter trykket her avlastes til 0-3 bar (tilnærmet atmosfæretrykk). Slangen 12 koples til testapparatets 14 innløp 13, hvor apparatet ved en annen slange 12' er koplet til et lukket avløpssystem 28, for å hindre utslipping av olje/gass fra forsøkene ut i omgivelsene. Using the apparatus shown, the measuring method is carried out as follows: The valve 10' to be tested is closed (full well pressure before the valve). The flexible hose 12 is connected to the outlet 9' after the valve, after which the pressure here is relieved to 0-3 bar (approximate atmospheric pressure). The hose 12 is connected to the inlet 13 of the test apparatus 14, where the apparatus is connected by another hose 12' to a closed drainage system 28, in order to prevent the release of oil/gas from the experiments into the surroundings.

Deretter åpnes innløpsventilen 13 mens utløpsventilen 23 stenges slik at lekkasjegassen (lekkasjeoljén, lekkasje-olje/gass-blandingen) strømmer gjennom rørledningen 2 0 og måleblenden 21 og ut til avløp 28. The inlet valve 13 is then opened while the outlet valve 23 is closed so that the leakage gas (the leakage oil, the leakage oil/gas mixture) flows through the pipeline 20 and the measuring orifice 21 and out to the drain 28.

Differansetrykket over måleblenden avleses på differanse-trykkmåler 21, trykket i beholderen 17 avleses på mano-meteret 25 og temperaturen på termometeret 27. Gassmengden kan avleses på en ikke vist kurve. The differential pressure across the measuring aperture is read on the differential pressure gauge 21, the pressure in the container 17 is read on the manometer 25 and the temperature on the thermometer 27. The amount of gas can be read on a curve not shown.

Væskelekkasjemengden avleses direkte på nivåglassets 26 skalainndeling. The amount of liquid leakage is read directly on the level glass's 26 scale divisions.

Når testen er avsluttet, åpnes avløpsventilen 23 og væskemengden blåses til avløp 28. When the test is finished, the drain valve 23 is opened and the amount of liquid is blown to drain 28.

Claims

1. Measuring device for measuring the amount of leakage over potential sources of leakage such as valves, in particular wellhead valves (10, 10<*>), and annulus seals (production seals) (7,8) at oil/gas wells, comprising a container (17), characterized by the combination of the following per se known features: - that the container (17) has a shut-off inlet (13) and a shut-off outlet (23), preferably in the form of shut-off valves (13,23), - that the container (17) is designed to receive a specified amount of leakage over a given period of time, - that the container (17) is equipped with a respectively connected measuring device for measuring the amount and properties of the leaking medium (pressure/temperature), and - that the container (17) comprises a separator designed for separating liquid and gas in a two-phase leakage medium.

2. Measuring device according to claim 1, characterized in that the separator (17) comprises a drop separator (18) and is assigned a level glass (2 6) as well as a measuring diaphragm and a differential pressure gauge (21).

3. Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the outlet (23) of the separator (17) is connected to a closed drain circuit (28).

4. Measuring device according to any one of the preceding claims, comprising a manometer (25) for measuring the pressure of the leaking medium, characterized in that the separator (17) is equipped with at least one thermometer (27) and means for measuring the differential pressure across the measuring diaphragm ( 21).

5. Procedure for leak measurement using a measuring device according to any one of the preceding claims, characterized in that a calibrated curve based on thermometer and manometer readings is prepared in advance, against