NO300392B1 - Anordning ved en brönn for utvinning av olje eller gass - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning ved en brønn for utvinning av olje eller gass, hvor et hull er boret ned til et reservoar, omfattende foringsrør; et brønnhode med ventiler, plugger og koblinger; produksjonsrør opphengt i brønnhodet; en brønnsikringsventil nede i produksjonsrøret; en pakning nede i brønnen som avtetter ringrommet mellom foringsrøret og produksjonsrøret; en ringromsventil; og en hovedsikringsventil for å avstenge strømmen av produksjonsfluidum i produksjons-røret.

Ved kjent teknikk bores et hull fra jordoverflaten eller havbunnen ned til et petroleumsførende reservoar ved hjelp av en borerigg. Hullet fores med flere utenpå hverandre beliggende foringsrør og tettes øverst med et brønnhode. Inne i foringsrørene, hengende i brønnhodet, anbringes et produksjonsrør for produksjon av olje eller gass, eller injeksjon av gass eller væske. Ovenpå brønnhodet anordnes et ventiltre med nødvendige ventiler for å regulere produksjonen av olje eller gass, eller eventuelt injeksjonen av væske eller gass, og sikre mot utblåsning.

Ventiltreet kan typisk ha en høyde på 6 meter for å kunne romme alle nødvendige ventiler, og har ved havbunnsbrønner ofte i tillegg en beskyttelsesramme for å beskytte mot tråler. Ventiltreet og beskyttelsesrammen er tunge og kostbare konstruksjoner, og for å bringe ned kostnadene er det et sterkt ønske om å utvikle et brønnhode eller ventiltre som ikke rager særlig opp over havbunnen.

Myndighetenes krav til sikkerhet, og vanlig praksis på området oljeboring, tilsier de fleste steder i verden at det til enhver tid skal være to uavhengige barrierer, det vil si en sperre som hindrer en lekkasje eller utblåsning fra reservoaret til omgivelsene. "Uavhengig" skal forstås slik at et brudd på den ene barriere ikke skal forplante seg videre til den annen barriere.

Avhengig av brønnens tilstand eller fase vil barrierene utgjøres av ulike elementer. Under borefasen utgjøres således den nedre eller første barriere av det statiske trykk p.g.a. tyngden av selve borevæsken, mens den øvre eller annen barriere utgjøres av kappebergarten, de sementerte foringsrør, brønnhodet, en utblåsingssikring (Blow Out Preventer, BOP) og en ventil i borestrengen.

Ved kjent teknikk utgjøres første barriere under produksjonsfasen av kappebergarten, foringsrøret, en produksjonspakning anbragt mellom foringsrøret og produksjonsrøret, produksjonsrøret og en brønnsikringsventil anbragt nede i produksjonsrøret. Annen barriere utgjøres av kappebergarten, foringsrørene, brønnhodet og en hovedsikringsventil anbragt i ventiltreet. Ved kjent teknikk er det således vanlig at samtlige elementer i den første barriere under brønnens produksjonsfase befinner seg under brønnhodet, mens annen barriere befinner seg dels under, dels i og dels over brønnhodet.

Norsk patentsøknad nr. 932220 beskriver et ventiltre hvor en eller flere ventiler installert på et brønnhode anordnes på en slik måte at minst en av de nevnte ventiler holdes innenfor et utløp av brønnhodet. Søknaden beskriver således hvordan ventiltreet kan gjøres mindre ved å anbringe en eller flere av ventilene nede i brønnen, slik at antallet ventiler over brønnhodet reduseres. Ventiltreet er imidlertid ikke unngått.

Det er kjent at det har vært oppnådd en viss reduksjon i ventiltreets størrelse ved å kombinere ventiler, idet man da slipper flenser mellom ventilene. Det er også blitt forsøkt å grave en silo rundt brønnhodet slik at ventiltreet delvis blir beliggende under havbunnivået, hvilket betyr at det kan benyttes en enklere beskyttelsesstruktur. Hittil er det imidlertid ikke kjent konstruktive løsninger hvor ventiltreet i sin helhet er unngått, samtidig som kravet om to uavhengige barrierer er tilfredsstilt.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en anordning til bruk ved utvinning av olje eller gass hvor ventiltreet er unngått. Det er videre en hensikt at det ved anvendelse av denne anordning opprettholdes to uavhengige barrierer mellom brønnen og omgivelsene.

Hensikten oppnås med en anordning av den innledningsvis nevnte art, kjennetegnet ved de trekk som er angitt i kravene.

Uttrykket "utvinning eller produksjon av olje eller gass" skal i denne patentsøknad forstås som også å omfatte injeksjon av væske eller gass i et reservoar.

Oppfinnelsen består således i en anordning ved en brønn for utvinning av olje eller gass, hvor et hull er boret ned til et reservoar, omfattende foringsrør; et brønnhode med ventiler, plugger og koblinger; produksjonsrør opphengt i brønnhodet; en brønnsikringsventil nede i produksjonsrøret; en pakning nede i brønnen som avtetter ringrommet mellom foringsrøret og produksjonsrøret; en ringromsventil; og en hovedsikringsventil for å avstenge strømmen av produksjonsfluidum i produksjonsrøret, og er kjennetegnet ved at produk-sjonsrøret omfatter et øvre produksjonsrør som er opphengt i brønnhodet og et nedre produksjonsrør som er løsbart forbundet med det øvre produksjons-røret, og at en nedihulls henger understøtter det nedre produksjonsrøret og brønnsikringsventilen, og at hovedsikringsventilen og ringromsventilen er anordnet under opphengningsstedet for det øvre produksjonsrøret. På denne måte oppnås den første hensikt med å frembringe en anordning til bruk ved utvinning av olje eller gass hvor ventiltreet er unngått.

I en kombinasjon av flere foretrukkede utførelser utgjøres den løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør og det nedre produksjonsrør av en fluidtett, løsbar forbindelse som ikke eller i minimal grad kan overføre aksiale mekaniske krefter eller dreiemomenter mellom det øvre og nedre produksjonsrør, samtidig som hovedsikringsventilen er fast innmontert i det øvre produksjonsrør, og brønnsikringsventilen er fast innmontert i det nedre produksjonsrør. Dette medfører at den løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør og det nedre produksjonsrør gjør en aksial og/eller dreiende bevegelse av hovedsikringsventilen uoverførbar til brønnsikringsventilen, slik at den annen hensikt med opprettholdelse to uavhengige barrierer mellom brønnen og omgivelsene oppnås.

I en ytterligere foretrukket utførelse utgjøres den fluidtette, løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør og det nedre produksjonsrør av en boring i nedihullshengeren og en hylse i det øvre produksjonsrørs nedre ende, idet hylsen er tilpasset til å kunne føres inn i boringen, og pakninger mellom hylsen og boringen tilveiebringer fluidtettheten.

Oppfinnelsen skal nå forklares nærmere ved hjelp av et utførelseseksempel, under henvisning til tegningen, hvor: Fig. 1 viser en brønn ifølge kjent teknikk for produksjon av olje eller gass.

Fig. 2 gir en skjematisk fremstilling av barrierebegrepet.

Fig. 3 viser et tverrsnitt av en brønn ifølge oppfinnelsen.

Fig. 4 viser detaljer ved den øvre del av brønnen på fig. 3.

Fig. 5 viser en løsbar forbindelse mellom et øvre og nedre produksjonsrør

ifølge oppfinnelsen.

Fig. 6 viser barrierene i brønnen på fig. 3, 4 og 5 under brønnens produksjonsfase. Fig. 7 viser barrierene i brønnen på fig. 3, 4 og 5 under en perforering, forut

for brønnens produksjonsfase.

De samme henvisningstall er benyttet for tilsvarende deler på alle figurene.

Fig. 1 viser en brønn 1 ifølge kjent teknikk, under utvinning av olje eller gass. Brønnen 1 bores fra en overflate 2, som kan være en havbunn eller en jordoverflate, ned til et petroleumsførende reservoar 3, dekket av en tett

kappebergart 4. Brønnen fores innvendig med foringsrør 5 som sementeres til hverandre ved hjelp av betong, slik at de danner en tett foring fra reservoaret til overflaten. Inne i brønnen anbringes et produksjonsrør 7 som strekker seg fra reservoaret til et brønnhode 6, anbragt på toppen av brønnen. Produksjonsrøret henger i brønnhodet fra en produksjonsrørhenger 8. Nede i brønnen er produksjonsrøret forsynt med et ekspansjonsledd 9, som har til oppgave å ta opp lengdeutvidelse pga. temperaturforandringer. Mellom produksjonsrøret 7 og et av foringsrørene 5 finnes en produksjonspakning 10, som har til oppgave å hindre at olje eller gass strømmer opp fra reservoaret mellom produksjonsrøret og foringsrøret, i det såkalte ringrommet 12. En brønnsikringsventil 11 er anbragt inne i produksjonsrøret, vanligvis noe under brønnhodet. Ovenpå brønnhodet er anordnet et ventiltre 13, som dersom brønnen er en havbunnsbrønn, er omgitt av en beskyttelsesramme 14. Fra ventiltreet leder en produksjonsrørledning 15, som står i forbindelse med produksjonsrøret via en hovedsikringsventil 18 anordnet i ventiltreet. Fra ventiltreet leder også en ringromsrørledning 16 som står i forbindelse med ringrommet 12 via en ringromsventil 24. Produksjonsrørledningen har til oppgave å føre olje eller gass ut av brønnen, eller eventuelt tilføre gass eller væske for injeksjon, mens ringromsrørledningen har til oppgave å overvåke trykket i ringrommet, slik at man kan detektere eventuelle lekkasjer.

Fig. 2 gir en skjematisk fremstilling av barrierebegrepet slik det benyttes i forbindelse med olje- og gassutvinning, hvor barrierene skal hindre strøm fra reservoaret A til omgivelsene B. Henvisningstall 100 betegner et system med én barriere 101, bestående av flere parallelle barriereelementer 102.

Henvisningstall 110 betegner et system med to barrierer i serie, første barriere 111 og annen barriere 112, hvor den første barriere består av flere parallelle barriereelementer 113, og den annen barriere består av flere parallelle barriereelementer 114. Som nevnt er det et vanlig krav at barriere-elementene i den første og annen barriere er uavhengige av hverandre, dvs. at et element som svikter i den ene barrieren ikke skal kunne påvirke noe element i den andre barrieren.

Elementene i den nedre eller første barriere 111 i brønnen ifølge kjent teknikk på fig. 1 består av kappebergarten 4, foringsrørene 5, produksjonspakningen 10, produksjonsrøret 7 og brønnsikringsventilen 11. Elementene i den øvre eller annen barriere 112 består av kappebergarten 4, foringsrørene 5, brønnhodet 6 og hovedsikringsventilen 18 og ringromsventilen 24.

Fig. 3 viser en brønn 1 ifølge den foreliggende oppfinnelse, som er boret fra en havbunn 35 ned til et petroleumsførende reservoar 3 som befinner seg under en kappebergart 4. Brønnen omfatter foringsrør 5, et brønnhode 6 med ventiler, plugger og koblinger, et produksjonsrør 7 opphengt i brønnhodet 6, en brønnsikringsventil 11 nede i produksjonsrøret 7, en produksjonspakning 10 nede i brønnen som avtetter ringrommet mellom foringsrøret 5 og produksjonsrøret 7, et ekspansjonsledd 9, en ringromsventil 24 og en hovedsikringsventil 18 for å avstenge strømmen av produksjonsfluidum i produksjonsrøret.

Produksjonsrøret 7 er delt i et øvre produksjonsrør 7a som befinner seg ovenfor brønnsikringsventilen 11 og et nedre produksjonsrør 7b som befinner seg nedenfor brønnsikringsventilen 11 og er løsbart forbundet med det øvre produksjonsrøret 7a. Hovedsikringsventilen 18 og ringromsventilen 24 er anordnet under opphengningsstedet for det øvre produksjonsrøret 7a.

Hovedsikringsventilen 18 og ringromsventilen 24 henger i brønnhodet 6 fra en produksjonsrørhenger 8. Det øvre produksjonsrør 7a henger fra hovedsikringsventilen 18, slik at produksjonsrørhengeren 8 som bærer hovedsikringsventilen også utgjør opphengningsstedet for det øvre produksjonsrør 7a.

Over brønnhodet finnes kun de ventiler 17 som er nødvendige for tilkobling av brønnen til en oljeplattform eller et skip, og de ventiler som er nødvendige for tilkobling til produksjonsrørledningen 15 og ringromsrørledningen 16. Disse ventilene er samlet i et ventilhus 21, som får en langt mindre høyde enn beskyttelsesrammen som er nødvendig ved et ventiltre ifølge kjent teknikk.

Fig. 4 viser den øvre del av brønnen på fig. 3. Det fremgår her hvordan ventilhuset 21, med sine ventiler 17 og et topplokk 22, er festet på en brønnhodekobling 23. Brønnhodekoblingen, som hviler på brønnhodet 6, har gjenger eller spor for feste av en foringsrørhenger 45, som igjen bærer foringsrørene 5. Foringsrørhengeren 45 har videre feste for produksjonsrør-hengeren 8 som bærer hovedsikringsventilen 18 og ringromsventilen 24. Det ses også et øvre produksjonsrørmellomstykke 7c mellom produksjonsrør-hengeren 8 og hovedsikringsventilen 18. Det øvre produksjonsrørmellom-stykke 7c er nødvendig av montasjemessige hensyn, og kan ha en lengde som varierer fra kun lengden av en muffe til et forholdsvis langt rør.

En nedihullshenger 19 er festet til foringsrøret 5 ved hjelp av gripende anker som presses mot foringsrøret på en slik måte at væske eller gass tillates å passere. Et nedre produksjonsrørmellomstykke 7d, som i likhet med det øvre produksjonsrørmellomstykke er nødvendig av montasjemessige hensyn, bærer brønnsikringsventilen 11, som igjen bærer det nedre produksjonsrør 7b. Lengden av det nedre produksjonsrørmellomstykke kan variere fra kun lengden av en muffe til et forholdsvis langt rør.

Den løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør 7a og det nedre produksjonsrør 7b utgjøres av en fluidtett, løsbar forbindelse som ikke eller i minimal grad kan overføre aksiale mekaniske krefter eller dreiemomenter om rørets lengderetning mellom det øvre og nedre produksjonsrør.

Fig. 4 viser videre hvordan hovedsikringsventilen 18 er fast innmontert i det øvre produksjonsrør 7a, og brønnsikringsventilen 11 er fast innmontert i det nedre produksjonsrør 7b. Den løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør 7a og det nedre produksjonsrør 7b bevirker dermed at det ikke er mulig å overføre en aksial og eller dreiende bevegelse av hovedsikringsventilen 18 til brønnsikringsventilen 11 eller omvendt, slik at det er oppnådd uavhengighet mellom hovedsikringsventilen og brønnsikrings-ventilen som inngår i hver sin barriere.

Hovedsikringsventilen 18 og brønnsikringsventilen 11 er fjernstyrt ved hjelp av trykksatte hydrauliske styrerør 46, resp. 25, som strekker seg fra hovedsikringsventilen resp. brønnsikringsventilen til ventilhuset 21, hvor de via koblinger er ført videre til plattformen. Styrerøret 25 for brønnsikrings-ventilen 11 er ført gjennom nedihullshengeren 19 og den fluidtette, løsbare forbindelse via en gjennomføring 28. Både hovedsikringsventilen 18 og brønnsikringsventilen 11 er av en type som holdes åpen av trykket i styre-røret, og som lukker seg automatisk hvis hydraulikktrykket forsvinner eller blødes av.

Fig. 5 viser hvordan den fluidtette, løsbare forbindelse utgjøres av en boring i nedihullshengeren 19 og en hylse i det øvre produksjonsrørs 7a nedre ende, tilpasset til å kunne føres inn i boringen. Pakninger 29 mellom hylsen i det øvre produksjonsrørs nedre ende og boringen i nedihullshengeren tetter mellom produksjonsrøret og ringrommet 12, slik at olje eller gass ikke lekker ut i ringrommet.

Styrerøret 25 er festet i det øvre produksjonsrør 7a ved hjelp av et rullelager 30 som tillater rotasjon, men samtidig hindrer vertikal bevegelse. Ved en nedsetting av det øvre produksjonsrør 7a ned i brønnen vil en orienterings-pinne 32 gripe inn i et orienteringsspor 33 og sikre at en hannkobling 26 på styrerøret 25 treffer en hunnkobling 27 i nedihullshengeren. Denne løsningen sikrer at trykk kun kan tilføres brønnsikringsventilen 11 slik at den åpnes når hylsen i det øvre produksjonsrørs nedre ende er korrekt satt inn i boringen i nedihullshengeren. Videre vil en feil som oppstår i hovedsikringsventilen 18, hvorav den verst tenkelige feil er at hele hovedsikringsventilen heves fra brønnen, ikke kunne forplante seg til brønnsikringsventilen 11, da en slik heving av hovedsikringsventilen vil medføre at det øvre produksjonsrør 7a trekkes ut av boringen i nedihullshengeren 19, hannkoblingen 26 vil trekkes ut av hunnkoblingen 27, og trykket i styrerøret 25 som er ført frem til brønnsikringsventilen 11 vil forsvinne slik at brønnsikringsventilen stenger. Det oppnås således uavhengighet mellom hovedsikringsventilen og brønnsikringsventilen, som befinner seg i hver sin barriere.

Fig. 6 viser barrierene i brønnen på fig. 3, 4 og 5 under en produksjonsfase. Den første barriere 111 utgjøres av kappebergarten 4, foringsrørene 5, produksjonspakningen 10, det nedre produksjonsrør 7b og brønnsikrings-ventilen 11. Elementene i den annen barriere 112 består av kappebergarten 4, foringsrørene 5, brønnhodet 6, produksjonsrørhengeren 8, hovedsikringsventilen 18 og ringromsventilen 24, og ligger således i sin helhet under eller hovedsakelig i plan med opphengningsstedet for produksjonsrøret.

Fig. 7 viser brønnen under en perforering, etter at brønnen er ferdig boret, forut for brønnens produksjonsfase. En plattform 37 befinner seg over brønnen, flytende på en havoverflate 36. Et brønnoverhalingsstigerør 47 strekker seg fra plattformen ned til havbunnen 35, hvor det er tilkoblet brønnen i en ventil 17 i ventilhuset 21. Foringsrørene 5 er nå ferdig innsatt og sementert, slik at brønnens innside er tett hele veien ned til bunnen. Brønnen inneholder ellers de samme elementer som under produksjonsfasen,

i tillegg til en perforeringskanon 38 som henger fra produksjonsrøret. Ved perforeringen avfyres perforeringskanonen slik at det dannes tunneler 39 i nederste perforeringsrør.

Under perforeringen utgjøres den første barriere 111 av kappebergarten 4, foringsrørene 5, produksjonspakningen 10, nedre produksjonsrør 7b og brønnsikringsventilen 11. Den annen barriere 112 utgjøres av kappebergarten 4, foringsrørene 5, brønnhodet 6, produksjonsrørhengeren 8, hovedsikringsventilen 18 og ringromsventilen 24.

Oppfinnelsen har i det foregående blitt forklart med henvisning til en bestemt utførelsesform, men det er klart at en rekke varianter er mulige innenfor rammen av kravene. Oppfinnelsen er f.eks. ikke begrenset til ulike ventil-typer, idet enhver ventil som oppfyller funksjonskravene vil kunne benyttes til de forskjellige formål. Som hovedsikringsventil og brønnsikringsventil vil det således være aktuelt både å benytte klaffventiler og kuleventiler.

Det er klart at det også er mulig å forandre opphengningsprinsippene både for hovedsikringsventilen og brønnsikringsventilen, for eksempel ved at de henges opp i hengere som utgjør deler av foringsrøret.

Oppfinnelsen er ikke begrenset til havbunnsbrønner, som vist på figurene. Selv om problemene knyttet til ventiltrærne er størst ved havbunnsbrønner, vil også unngåelse av ventiltrærne på plattformbrønner, dvs. brønner som strekker seg til en plattform, ha sine klare fordeler både av hensyn til plass, vekt og økonomi. Oppfinnelsen vil også kunne benyttes på land, da de nevnte økonomiske besparelser her også vil gjøre seg gjeldende.

Oppfinnelsen er som nevnt heller ikke begrenset til brønner for produksjon av olje eller gass, idet brønner for injeksjon av vann, naturgass, flytende C02 eller eventuelt andre gasser eller væsker også vil være et aktuelt bruks-område. Det skal videre nevnes at oppfinnelsen heller ikke er avhengig av hvilket prinsipp som benyttes til fjernstyring av ventilene. Det er i dag vanlig å benytte hydraulikk, hvor det i de fleste tilfeller brukes et oljebasert hydraulikkmedium, men det kan også være tenkelig å styre ventilene ved hjelp av andre prinsipper, f.eks. elektromekaniske aktivatorer eller pneumatikk hvor det benyttes tørr nitrogen under høyt trykk.

Claims (8)

1. Anordning ved en brønn for utvinning av olje eller gass, hvor et hull er boret ned til et reservoar (3), omfattende foringsrør (5); et brønnhode (6) med ventiler, plugger og koblinger; produksjonsrør (7) opphengt i brønn-hodet; en brønnsikringsventil (11) nede i produksjonsrøret; en pakning (10) nede i brønnen som avtetter ringrommet mellom foringsrøret og produksjons-røret; en ringromsventil (24); og en hovedsikringsventil (18) for å avstenge strømmen av produksjonsfluidum i produksjonsrøret, karakterisert ved at produksjonsrøret (7) omfatter et øvre produksjonsrør (7a) som er opphengt i brønnhodet (6) og et nedre produksjonsrør (7b) som er løsbart forbundet med det øvre produksjonsrøret (7a), og at en nedihulls henger (19) understøtter det nedre produksjonsrøret (7b) og brønnsikringsventilen (11), og at hovedsikringsventilen (18) og ringromsventilen (24) er anordnet under opphengningsstedet for det øvre produksjonsrøret (7a).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at den løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør (7a) og det nedre produksjonsrør (7b) utgjøres av en fluidtett, løsbar forbindelse som ikke eller i minimal grad kan overføre aksiale mekaniske krefter mellom det øvre og nedre produksjonsrør.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør (7a) og det nedre produksjonsrør (7b) utgjøres av en fluidtett, løsbar forbindelse som ikke eller i minimal grad kan overføre dreiemomenter om rørets lengderetning mellom det øvre og nedre produksjonsrør.

4. Anordning ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at hovedsikringsventilen (18) er fast innmontert i det øvre produksjonsrør (7a), og at brønnsikringsventilen (11) er fast innmontert i det nedre produksjonsrør (7b), hvorved den løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør (7a) og det nedre produksjonsrør (7b) gjør en aksial og/eller dreiende bevegelse av hovedsikringsventilen (18) uoverfør-bar til brønnsikringsventilen (11).

5. Anordning ifølge et av kravene 2 til 4, karakterisert ved at den fluidtette, løsbare forbindelse mellom det øvre produksjonsrør (7a) og det nedre produksjonsrør (7b) utgjøres av en boring i nedihullshengeren (19) og en hylse i det øvre produksjonsrørs (7a) nedre ende, at hylsen er tilpasset til å kunne føres inn i boringen, og at fluidtettheten er tilveibragt av pakninger (29) mellom hylsen og boringen.

6. Anordning ifølge krav 5, karakterisert ved at brønnsikringsventilen (11) er fjernstyrt ved hjelp av et trykksatt styrerør (25), og at styrerøret er ført forbi den fluidtette, løsbare forbindelse mellom det øvre og nedre produksjonsrør ved hjelp av motsvarende, løsbare hann/hunn-koblinger (26, 27) som vil trekkes ut av innbyrdes inngrep når hylsen i det øvre produksjonsrørs (7a) nedre ende føres ut av inngrep med boringen i nedihullshengeren (19).

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at brønnsikringsventilen (11) er av en type som holdes åpen av trykket i styrerøret, og stenger automatisk når styrerøret mister sitt trykk ved en frakobling av hann/hunn-koblingen (26, 27).

8. Anordning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at hovedsikringsventilen (18) er fjernstyrt.