NO20121176A1 - System for automatisk styring av nedihullstrykk under boreoperasjoner - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse gjelder et system 100 og en fremgangsmåte for automatisk å styre nedihullstrykk under boreoperasjoner med en boreinstallasjon for boring av hull i undergrunnen for å utvinne hydrokarboner, geotermisk energi eller grunnvann. Systemet innebefatter minst et gyroelement; og minst et differensialtrykkelement som måler trykkforholdet mellom endene i et rett rørsegment; et pumpesystem som pumper borevæsken fra en tanksystem for borevæske; en tilbakeslagsventil plassert ved borekronen; et pakningssystem som kan åpnes og lukkes ved behov, et ventilsystem for å trykksette ringrommet ved behov; og et beregningsmiddel som kombinerer gyromålinger med differensialtrykkmålingerfor å filtrere ut mekaniske påvirkninger når borevæskens tetthet og friksjonstrykktap beregnes; og der det samme beregningsmiddelet styrer både riggpumpesystemet, pakningssystemet og ventilsystemet for å opprettholde et ønsket trykk i brønnen under boreoperasjoner.

Description

System for automatisk styring av nedihullstrykk under boreoperasjoner

Den foreliggende oppfinnelse gjelder et system og en fremgangsmåte for automatisk å styre nedihullstrykk under boreoperasjoner med en boreinstallasjon for boring av hull i undergrunnen for å utvinne hydrokarboner, geotermisk energi eller grunnvann.

Når det bores hull i undergrunnen, pumpes typisk en borevæske (for eksempel boreslam eller vann) fra riggpumpen på en boreinstallasjon ned i borehullet via borerøret og ut gjennom borekronen og opp ringrommet, primært for transportere opp borekaks fra boreprosessen. Borevæsken benyttes også til å opprettholde et egnet trykk i ringrommet, slik at borehullet ikke kollapser eller sprekker opp. I tillegg benyttes borevæsken til å kjøle ned og smøre borekronen.

Noen av de viktigste egenskapene til borevæsken for å opprettholde ønskede forhold i brønnen under boreoperasjonen er derfor strømningshastigheten, rheologien og tettheten til borevæsken i alle deler av strømningssløyfen fra borevæsken pumpes inn i brønnen og til borevæsken returnerer til borevæsketankene ved overflaten.

Under en boreoperasjon vil det i perioder være nødvendig å stoppe riggpumpen for å foreta forskjellige former for vedlikehold av borestrengen. Et eksempel på dette er når man skal skjøte på borestrengen med et ekstra borerør, eller å korte inn borestrengen med et ekstra borerør. Når pumpen stoppes vil friksjonstrykktapet i ringrommet medføre at trykkforholdene nede i brønnen reduseres. Denne situasjonen kan medføre at trykket i brønnen synker under poretrykket, og det kan oppstå innstrømning av formasjonsvæsker fra formasjonen det bores i og inn i brønnen. Dette kan medføre farlige situasjoner. Det er derfor ønskelig å kompensere for dette friksjonstrykktapet med et egnet ventilsystem når hoved pumpen stoppes.

I dag benyttes det typisk sett et ventilsystem som justeres avhengig av ønsket trykk ned i brønnen. I tillegg tettes ringrommet ved hjelp av en pakning under hele boreoperasjonen. Ringrommet trykksettes ofte ved hjelp av en baktrykkspumpe. Typiske eksempler på utførelser med kontinuerlig lukket ringrom er beskrevet i patentene US2006/7044237, US2008/7350597, US20110067923.

Et av problemene med kontinuerlig å lukke ringrommet, er den slitasjen som denne gummipakningen blir utsatt for når borestrengen roteres. Videre er de nevnte systemene vansklig å operere da systemene ikke er tilstrekkelig integrert med systemet som styrer hovedpumpen. Det må da ofte være en ekstra person som overvåker styringen av ventilsystemet.

I en boreoperasjon er borevæskens egenskaper med hensyn til viskositet og tetthet viktig å måle for å kunne kompensere trykket på korrekt vis. I dag måles typisk borevæskeegenskapene ved å ta en prøve av borevæsken ved forskjellige tilgjengelig punkter boreprosessen, og evaluere eksempelvis tettheten ved hjelp av en balansevekt og eksempelvis rheologien ved hjelp av en trakt eller et mer avansert instrument, et såkalt viskosimeter der et roterende eller vibrerende element plasseres i et lite kar som inneholder en prøve av borevæsken.

Andre måter å evaluere borevæskens egenskaper på er å montere et eksempelvis et Coriolismeter som måler volumstrømningsrate og tetthet til borevæsken i tillegg til å kombinere dette med måling av nivået i borevæsketankene. Eksempler på disse systemene kan deet refereres til patentene US1981/4290305, US2001/6257354, US2003/6650280, US2010/7823656.

Et av problemene med å måle boreslamegenskapene manuelt er at måledatene må kvalitetssikres og registreres i datasystemet manuelt, og at de modellene som benyttes for å beregne nedihullstrykket er relativ sett komplekse. Å benytte et Coriolismeter er også utfordrende, da dette er vanskelig å montere på et begrenset volum, og har relativt sett dårlig nøyaktighet når sensoren skal tåle høye trykk, typisk sett over 30 bar.

Av andre metoder for å måle egenskapene til borevæsken er det i artikkelen «Utilizing Instrumented Stand Pipe for Monitoring Drilling Fluid Dynamics for Improving Automated Drilling Operations», IFAC 2012 av Carlsen, Nygaard og Time presentert et system som benytter seg av differensialtrykksensorer for å måle differensialtrykket i en vertikal del og en horisontal del av røret mellom hovedpumpemanifolden og toppen av borestrengen, i tillegg til temperaturmålinger av borevæskestrømmen.

I artikkelen nevnes det også at denne typen måling med et horisontalt og et vertikalt rør kan for å måle borevæskeegenskapene også ved utløpet av brønnen, uten at dette detaljeres i nevnemessig grad.

Et av problemene med denne metoden til Carlsen et al. er at målingene fra differensialtrykksensorene vil være påvirket av mekaniske bevegelser i boreanretningen, som typisk kan forekomme på grunn av borestrengens forstyrrelser eller bølger dersom boreanretningen er plassert på en flytende farkost. Disse mekaniske bevegelsene vil påvirke i større eller mindre grad helningen til innfestingspunktene for differensialtrykksensoren, og derfor påvirke trykkmålingene. Beregningene av tetthet og friksjonstrykktap kan derfor inneholde feil.

En annen utfordring til systemet beskrevet i Carlsen et. al. er at det vertikale og det horisontale rørsegmentet er vanskelig i montere mekanisk korrekt i eksisterende og nye boreanretninger, da spesielt et mekanisk avvik i den horisontale delen vil medføre feil i friksjonstrykktapberegningene og påfølgende gi feil i tetthetsberegningene.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å i det minste delvis overvinne de ovennevnte problemer og utfordringer.

Dette formålet, og andre formål som vil være åpenbare ut ifra den følgende beskrivelse, oppnås med et system og en fremgangsmåte i følge de vedlagte uavhengige kravene. Utførelsesformer fremsettes i de vedlagte avhengige kravene.

I følge et aspekt av den foreliggende oppfinnelse, tilveiebringes et system for å styre nedihullstrykket under boreoperasjoner, der systemet innebefatter: Minst et gyroelement som plasseres på et, to eller flere rette rørsegment som er plassert i en vinkel i forhold til hverandre; og der minst et differensialtrykkelement måler trykkforholdene mellom endene i et rett rørsegment; et pumpesystem som pumper borevæsken fra en tank for borevæske; en tilbakeslagsventil plassert ved borekronen; et pakningssystem som kan åpnes og lukkes ved behov, et ventilsystem for å trykksette ringrommet ved behov; og et beregningsmiddel som kombinerer gyromålingene med differensialtrykkmålingene for å filtrere ut mekaniske påvirkninger når borevæskens tetthet og friksjonstrykktap beregnes; og der det samme beregningsmiddelet styrer både riggpumpesystemet, pakningssystemet og ventilsystemet for å opprettholde et ønsket trykk i brønnen under boreoperasjoner.

Det foreliggende system kan også innebefatte temperatur og trykkmålinger i nærheten av de rette rørsegment eller hovedpumpemanifolden i tillegg til en manifold med en styrt ventil som kan lukke strømningspassasjen til toppen av borestrengen, og åpne en returlinje tilbake til tank; der returlinjen har en strupningsventil som kan benyttes til å endre trykkforholdene i de rette rørsegmentene; og et styremiddel som er tilpasset til å kunne styre strupningsventilen og/eller hovepumperaten, og beregne boreslamegenskaper som tetthet og strømningstrykkfall basert på en kombinasjon av de nevnte målinger.

Det foreliggende systemet tillater at mekaniske forstyrrelser som følge av bevegelser i boreanretningen eller bølgebevegelser på en flytende anretning ikke påvirker beregningene av borevæskens tetthet og friksjonstrykktap. Ved hjelp av det foreliggende systemet kan man beregne både mekaniske påvirkninger i gyroene og trykkpåvirkninger i differensialtrykksensorer og derfor oppnå høyere nøyaktighet ved kontinuerlig beregning av trykkforholdene i brønnen.

Det foreliggende systemet kan også lett monteres inn i en eksisterende boreanretning, siden de to rørsegmentene kun trenger å plasseres i en vinkel mellom 0 og 180 grader i forhold til hverandre.

Det foreliggende systemet kan både benyttes til evaluering av borevæskeegenskaper av borevæsken som kommer inn i brønnen og borevæsken som kommer ut av brønnen mens boring pågår og væskestrømmen pumpes inn i borestrengen, og mens boring ikke pågår og væskestrømmen pumpes inn i returrøret.

Det foreliggende systemet kan benyttes til styring av trykket i brønnen mens boring pågår og væskestrømmen pumpes inn i borestrengen mens pakningselementet er åpent, delvis lukket og stengt.

I følge et annet aspekt av den foreliggende oppfinnelse, tilveiebringes en fremgangsmåte for å beregne og styre trykket nede i brønnen i både borestrengen og ringrommet hvori minst et rørsegment med tilhørende differentialtrykksensor og gyrosensor benyttes som grunnlag for disse beregningene. I tillegg kan det anvendes måling av antall slag på hovedpumpe for å avgjøre strømningshastighetet gjennom rørsegmentet. Dette aspektet av oppfinnelsen kan fremvise det samme eller lignende trekk og tekniske effekter som det tidligere beskrevne aspektet.

Disse og andre aspekter av den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet i nærmere detalj med referanse til de vedlagte tegningene som viser en for øyeblikket foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen. Fig. 1 er en skjematisk illustrasjon av et system 100 i følge en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse. Et spesielt bruksområde for den foreliggende oppfinnelse er å beregne borevæskens tetthet og friksjonstrykktap både inn i brønnen (110, 120) og ut av brønnen (410 ,420), og benytte disse beregningene til å styre trykkforholdene nede i brønnen ved hjelp av endring av turtallet 105 på hovedpumpen 101. I dette spesielle bruksområdet kan det foreliggende system 100 være parallelt til, eller i det minste delvis erstatte de manuelle målingene av borevæskens tetthet og reologi som også benyttes til å beregne trykkforholdene i brønnen. Systemet i Fig. 1 viser når pakningselementet 330 er åpent. Under denne operasjonen vil eventuelle trykkvariasjoner kompenseres med å styre hovedpumpen 101. Fig. 2 viser systemet 100 når pakningen 330 i øvre del av ringrommet er i ferd med å lukkes. Under denne operasjonen vil eventuelle trykkvariasjoner kompenseres med enten å styre hovedpumpen 101 og/eller ventilsystemet 430. Fig. 3 viser systemet 100 når pakningen 330 i øvre del av ringrommet er helt lukket. Under denne operasjonen vil eventuelle trykkvariasjoner kompenseres med enten å styre hovedpumpen 101 og/eller ventilsystemet 430. Fig. 4 viser systemet 100 når pakningen 330 i øvre del av ringrommet er i ferd med å åpnes. Under denne operasjonen vil eventuell trykkvariasjoner kompenseres med enten å styre hovedpumpen 101 og/eller ventilsystemet 430.

Systemet i 100 innbefatter et hovedpumpesystem 101 som pumper borevæsken fra et tanksystem 520 for borevæske. Et strømningsmålingsdetektor 105 måler væskestrømmens volumrate, det kan være slag per minutt teller eller et tachometer eller et annet deteksjonsmiddel der man kan utlede strømningsrate.

Borevæsken pumpes gjennom første rørsegment 110 som har påmontert en differensialtrykkmåler 111. Differensialtrykkmåleren 111 måler trykket mellom prosesstilkoblingene på rørsegmentet 110. Gyroelement 112 og 113 er montert ved prosesstilkoblingene. Det andre rørsegmentet 120 har også påmontert på tilsvarende måte både differensialtrykksensor 121 og gyroelementene 122 og 123. Målingene fra gyroelementene og differensialtrykksensorene registreres og behandles ved hjelp av styremiddelet 610. Et eksempel på et slikt evalueringssystem for borevæske omtales i søkerens sideløpende patentsøknad NO20121023, kalt «System for kontinuerlig evaluering av borevæskeegenskaper», innholdet av hvilken er inkorporert heri ved referanse.

Vinkelen mellom rørsegment 110 og 120 kan være mellom 0 grader og 180 grader i forhold til hverandre, men det tilstrebes en mest mulig horisontal og vertikal plassering av rørsegment, og i det minste slik at vinkelen i rørsegment 110 er forskjellig fra rørsegment 120. Typisk sett vil rørsegment 110 plasseres i en tilnærmet horisontal stilling, mens rørsegment 120 plasseres i en tilnærmet vertikal stilling. Lengden på rørsegmentene kan variere, typisk vil disse være mellom 1 og 30 meters lengde, men både kortere og lengre rørsegmenter kan benyttes. Diameter vil typisk sett være lik borestrengens diameter, men både større og mindre diameter kan benyttes.

For å kompensere for temperatur og trykkvariasjoner, monteres det en temperatursensor 106 og en trykksensor 107 oppstrøms av rørsegmentene 110 og 120.

Etter det siste rørsegmentet kan borevæsken enten ledes via ventilsystemet 130 til toppen av borestrengen 210 eller via returrøret 131 til strupningsventilen 132. Dersom ventilsystemet 130 leder borevæsken via returrøret 131, så måles differensialtrykket over ventilen 132 ved hjelp av sensoren 133. Derfra følger borevæsken tilbake til tanksystemet 520 via returkanalen 510.

Dersom ventilsystemet 130 leder borevæsken til toppen av borestrengen 210, så strømmer borevæsken ned borerøret ned gjennom en tilbakeslagsventilsystemet 230. Tilbakeslagsventilsystemet 230 hindrer av formasjonsvæsker strømmer inn i borestrengen. Videre strømmer borevæsken gjennom en borekrone 240 og videre oppover ringrommet 310. Derfra strømmer borevæsken forbi nødavstengningssystemet 320 (blow-out preventer).

I øvre del av brønnen er det et pakningsystem 330 som kan lukkes og åpnes ved behov. Denne er plassert nedenfor slamreturnippel ( bell nipple). Nedenfor pakningssystem 330 strømmer borevæsken gjennom et rørsegment 410 og rørsegment 420. Disse rørsegmentene er av tilsvarende utførelse som rørsegmentene 110 og 120. Rørsegment 410 har påmontert en differensialtrykkmåler 411. Differensialtrykkmåleren 411 måler trykket mellom prosesstilkoblingene på rørsegmentet 410. Gyroelement 412 og 413 er montert ved prosesstilkoblingene. Det andre rørsegmentet 420 har også påmontert på tilsvarende måte både differensialtrykksensor 421 og gyroelementene 122 og 123. Målingene fra gyroelementene og differensialtrykksensorene registreres og behandles ved hjelp av styremiddelet 610.

Vinkelen mellom rørsegment 410 og 420 kan være mellom 0 grader og 180 grader i forhold til hverandre, men det tilstrebes en mest mulig horisontal og vertikal plassering av rørsegment, og i det minste slik at vinkelen i rørsegment 410 er forskjellig fra rørsegment 420. Typisk sett vil rørsegment 410 plasseres i en tilnærmet vertikal stilling, mens rørsegment 420 plasseres i en tilnærmet horisontal stilling. Lengden på rørsegmentene kan variere, typisk vil disse være mellom 1 og 30 meters lengde, men både kortere og lengre rørsegmenter kan benyttes. Diameter vil typisk sett være lik borestrengens diameter, men både større og mindre diameter kan benyttes.

For å kompensere for temperatur og trykkvariasjoner, monteres det en temperatursensor 431 og en trykksensor 432 nedstrøms av rørsegmentene 410 og 420.

Nedstrøms trykksensor 432 er det montert en strupningsventil 430 som benyttes til å styre trykket nede i brønnen ved behov. Differensialtrykket over strupningsventilen måles ved hjelp av sensoren 433. Denne differensialtrykksensoren kan benyttes til å beregne volumstrømmen gjennom returrørene 410 og 420.

Borevæsken strømmer så via returkanalen 510 til tankanlegget 520.1 tankanlegget 520 blir borevæsken prosessert for eksempelvis å fjerne partikler og endre borevæskens egenskaper.

Fagpersonen vil forstå at den foreliggende oppfinnelse på ingen måte er begrenset til utførelsesformene beskrevet under. Tvert i mot er mange modifikasjoner og variasjoner mulig innenfor de vedlagte kravenes omfang.

Claims (6)

1. System 100 for å styre trykket nede i brønnen under boreoperasjoner med en boreinnretning, ved å kontinuerlig å evaluere borevæskens tetthet og strømningstap, og styre hovedpumpesystemet der systemet innebefatter: Minst et rørsegment 110 med påmontert minst en gyrosensor og minst en differensialtrykksensor; Og Et hovedpumpesystem 101 Og En trykksensor 107 og Styremiddel 610 tilpasset for selektivt eller sekvensielt beregne borevæskens tetthet og strømningsfriksjonstrykktap basert på målt differensialtrykk og rørets vinkel i forhold til det horisontale plan, og benytte disse beregningene samt trykksensor 107 til å beregne nedihullstrykk og styre hovedpumpesystemet 101.

2. System i følge krav 1, videre innebefattet et deteksjonsmiddel 105 for å detektere strømningsrate gjennom rørsegmentet 110, og et rørsegment 120 der rørets vinkel i forhold til horisontalplanet er forskjellig fra rørsegment 110, hvori styremiddelets beregner tettheten og strømningstrykkfall ved hjelp av de to differentialtrykksensorene og de to gyrosensorene, og benytte disse beregningene samt trykksensor 107 og temperatursensor 106 til å beregne nedihullstrykk og styre hovedpumpesystemet 101.

3. System i følge krav 1 eller 2, videre innebefattet en returrørsegment 131 med en strupningsventil 132, hvori styremiddelet 610 kan justere trykkforholdene i rørsegmentene ved å justere på åpningen i strupningsventilen 132.

4. System i følge fra 1, 2 eller 3 videre innebefattet et styrbart pakningselement 330, rørsegmentet 410, rørsegmentet 420 og strupningsventilsystemet 430 og deteksjonsmidlene 431, 432 og 433, der trykket nede i brønnen beregnet ved hjelp av styremiddelet 610, og pakningssystemet 330 og ventilsystemet 430 styres for å påvirke trykket nede i brønnen.

5. Fremgangsmåte for kontinuerlig å styre trykket nede i brønnen, hvori minst et rørsegment 110 og minst et deteksjonsmiddel 105 for strømningsrate og minst en trykksensor 107, og minst et pumpesystem 101, der fremgangsmåten innbefatter: å registrere differensialtrykket 111 når deteksjonsmiddelet for strømningsrate 105 registrerer null strømningsrate; å beregne borevæskens tetthet ved hjelp av det registrerte differensialtrykket 111, lengden på rørsegmentet, og vinkelen i forhold til horisontalplanet 112,113; å registrere differensialtrykket når deteksjonsmiddelet for strømningsrate 105 registrerer mer enn null strømningsrate; å beregne borevæskens friksjonstrykktap ved hjelp av det registrerte differensialtrykket 111, lengden på rørsegmentet og vinkelen i forhold til horisontalplanet 112,113; å beregne trykket i brønnen ved å benytte informasjon om brønnens lengde, dybde og volumer, samt trykkmålingen 107; og å styre trykket ved hjelp av å endre turtallet på pumpesystemet 101.

6. Fremgangsmåte i følge krav 5 for kontinuerlig å styre trykket nede i brønnen, hvori i tillegg minst også et pakningssystem 330 og minst et rørsegment 410 for å evaluere den returnerende borevæskens tetthet og strømningstrykkfall og minst et ventilsystem 430benyttes, der fremgangsmåten innbefatter: å registrere differensialtrykket og vinkelposisjon for både rørsegment 110 og 410; å beregne borevæskens tetthet ved hjelp av begge registrerte differensialtrykkene 111,411, lengden på rørsegmentene, og begge vinkler i forhold til horisontalplanet 112,113,412,413; å beregne borevæsken strømningstrykkfall ved hjelp av den beregnede tettheten til borevæsken, og det ene rørsegmentets registrerte differensialtrykk 111,421; å beregne trykket i brønnen ved å benytte informasjon om brønnens lengde, dybde og volumer, samt trykkmålingen 107; og å styre trykket ved hjelp av å endre turtallet på pumpesystemet 101 og/ eller pakningssystemet 330 og/eller ventilsystemet 430.