NO311450B1 - System for styring av produksjon av råolje fra en gasslöftet oljebrönn - Google Patents

Abstract

Et system for styring av produksjon fra en gassløftet oljebrønn omfatter en. dynamisk styrt struper (1) for innstilling av strømmen av råolje fra et pro-duksjonsrør (2) i brønnen. Struperen (1). styres ved hjelp av en styremodul (CM). som omfatter en PID-kontroller som er innstilt for å styre struperens (1). åpning dynamisk slik at trykket (CHP) i løftegassinnsprøytingsledningen minime-. res og stabiliseres. Systemet er i stand til maksimering og stabilisering av råoljeproduksjonen på nøyaktig måte og uten å kreve utrustning nede i brønnen.

Description

Oppfinnelsen angår et system for styring av produksjon av råolje gjennom et produksjonsrør som strekker seg ned i en gassløftet oljebrønn, og i hvilket løftegass injiseres på et sted nede i brønnen, idet systemet omfatter en variabel struper for innstilling av strømmen av råolje gjennom produksjonsrøret, og en styremodul for dynamisk styring av struperens åpning, hvilken styremodul benytter det trykk som måles av en trykkmåler i løftegassinjeksjonsledningen, som inngangssignal.

I slike gassløftede oljebrønner kan trykket i produksjonsrøret fluktuere, hvilket kan føre til en uregelmessig innstrømning av løftegass som injiseres i produksjonsrøret. Slik uregelmessig injeksjon av løftegass kan etter hvert stanse produksjon av olje fullstendig. Slike ustabile, gassløftede brønner har følgelig en tendens til å svinge mellom oljeproduserende og ikke-oljeproduserende tilstander, slik at "plugger" av råolje og løftegass frembringes.

Det er vanlig praksis å justere strømmen av løftegass som injiseres i brønnen, ved hjelp av en struper til et slikt nivå at produksjonen av råolje maksimeres og stabiliseres.

Artikkelen "Wellhead monitors automate Lake Maracaibo gas-lift", som ble publisert av J C Adjunta og A Majek på sidene 64-67 i Oil and Gas Journal, 28. november 1994, viser at det kan benyttes en automatisk struper som varierer strømmen av løftegass slik at den forblir nær et beregnet optimum.

I det system som er kjent fra denne tidligere publikasjon, er struperen beliggende ved jordoverflaten nær brønnhodet til den gassløftede brønn. Et problem som påtreffes med det kjente system, er at gassinjeksjonsledningen, som vanligvis er dannet av ringrommet mellom produksjonsrøret og brønnforingsrøret, kan ha en lengde på flere kilometer og kan ha et så stort volum at det ikke er mulig å styre nøyaktig den mengde løftegass som injiseres i produksjonsrøret nede i brønnen ved å innstille strømmen av løftegass som strømmer inn i løftegassinjeksjonsledningen via den variable struper ved brønnhodet.

Det er også kjent, for eksempel fra internasjonal patentsøknad PCT/EP95/00623, å innstille strømmen av løftegass som injiseres i oljeproduksjonsrøret, ved hjelp av en overflatestyrt, variabel åpning nede i brønnen via hvilken løftegassen injiseres i produksjonsrøret.

En slik variabel åpning nede i brønnen muliggjør en nøyaktig styring av mengden av løftegass inn i brønnen, slik at det alltid injiseres en jevn strøm av løftegass og en stabil og optimal gassløfting frembringes.

Installasjon, drift og vedlikehold av en slik variabel åpning nede i brønnen er imidlertid kostbar. Spesielt dersom brønnen er utstyrt med en dobbel klargjøring eller komplettering, som kan bestå av to konsentriske produksjonsrør som strekker seg ned til forskjellige dybder i brønnen, og gass injiseres via det omgivende ringrom og åpninger nær bunnen av hvert av disse produksjonsrør, vil installasjonen av et sett på to brønnventiler i brønnen muligens ikke være økonomisk.

Den internasjonale patentsøknad PCT/AU87/00201 (publiseringsnummer: WO Al 88/00277) viser en metode for oppstarting av oljeproduksjon i en gassløftet oljebrønn hvor innløpsstrømmen av den injiserte gass opprettholdes i hovedsaken konstant ved hjelp av en virvelstrømningsmåler.

Et styresystem av den innledningsvis angitte type er kjent fra GB A 2 252 797. Denne publikasjon viser et gassløftet oljeproduksjonssystem i hvilket en produksjonsstruper og en innløpsventil i gassinjeksjonsledningen innstilles samtidig i en forprogrammert, parametrisk, logisk sekvens for å forbedre oljeproduksjonsstyringen. En ulempe ved dette kjente system er at den forprogrammerte sekvens frembringer et fast regime eller system for drift av de to ventiler, og som ikke benytter tilbakekopling av driftstilstander for å justere eller innstille sekvensen. Den samtidige innstilling av de to ventiler kan videre føre til svingninger i løftegasstrømmen, særlig dersom løftegass som skriver seg fra en eneste kilde, injiseres i flere brønner.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et system som er i stand til å forbedre ytterligere nøyaktigheten av styring av injiseringen av gass i en gassløftet oljeproduksjonsbrønn på en slik måte at råoljeproduksjonen maksimeres og stabiliseres, og som ikke krever anvendelse av styreutrustning nede i brønnen.

Ovennevnte formål oppnås med et system av den innledningsvis angitte type som ifølge oppfinnelsen er kjennetegnet ved at styremodulen omfatter en PID (proposjonal-integral-derivat)-styreenhet som er innstilt for å styre struperens åpning dynamisk på en slik måte at fluidtrykket i løftegassinjeksjonsledningen minimeres og stabiliseres på bakgrunn av det nevnte inngangssignal.

Det vil innses at en PID-styrenhet er en styreenhet eller regulator som gir et utgangssignal som er proporsjonalt med inngangssignalet, men som også integrerer og differensierer utgangssignalet for å justere eller innstille utgangssignalets egenskaper.

Styremodulen kan videre omfatte en hovedstyreenhet som omfatter en fuzzy-logikk-algoritme for generering for PID-styreenheten av en referanseverdi for trykket i løftegassinjeksjonsledningen.

Konseptet med en fuzzy-logikk-styring av en PID-styreenhet er i og for seg kjent og beskrevet for eksempel i kapittel 3 i Handbook of Intelligent Control: "Neural, Fuzzy and Adaptive Approaches", skrevet av A White og D A Sofge og utgitt av van Nostrand Reinhold, New York, 1992.

Den variable struper og styremodulen er på konvensjonell måte beliggende ved jordoverflaten på et sted nær brønnhodet til den gassløftede oljeproduksjonsbrønn.

Beliggenheten av struperen og styremodulen på jordoverflaten tillater installasjon og vedlikehold av disse utenfor brønnen og uten avbrytelse av oljeproduksjonsoperasjoner, hvilket sparer betydelige omkostninger og innsats. Dette er særlig aktuelt dersom brønnen omfatter flere råoljeproduksjonsrør og løftegass injiseres på forskjellige steder nede i brønnen inn i de forskjellige produksjonsrør via en felles gassinjeksjonsledning som er i det minste delvis dannet av et ringrom mellom produksjonsrørene og et brønnforingsrør, og hvor hvert produksjonsrør er utstyrt med en variabel struper for strømmen av råolje, og hvor åpningen av hver struper styres av styremodulen.

Disse og andre særtrekk, formål og fordeler med systemet ifølge oppfinnelsen vil bli åpenbare ut fra den etterfølgende nærmere beskrivelse under henvisning til tegningene, der

fig. 1 viser et skjematisk lengdesnittsriss av en råoljeproduksjonsbrønn i hvilken råoljeproduksjonen styres ved hjelp av et system ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser et flytskjema av styrelogikken for styremodulen CM i styresystemet som er vist på fig. 1,

fig. 3 er et flytskjema som ytterligere forklarer driften av styrelogikken for styremodulen CM i styresystemet som er vist på fig. 1, og

fig. 4 er et diagram som viser resultatene av et eksperiment som indikerer at styresystemet ifølge oppfinnelsen er i stand til å optimere og stabilisere produksjon fra en gassløftet brønn.

Idet det nå henvises til fig. 1, er det der vist en gassløftet råoljeproduksjonsbrønn som omfatter en variabel struper 1 og en styremodul CM i systemet ifølge oppfinnelsen.

Struperen eller strupeventilen 1 er montert i et produksjonsrør 2 som strekker seg fra nær bunnen av en oljeproduksjonsbrønn 3 gjennom brønnhodet 4 mot behandlingsutstyr (ikke vist) på jordoverflaten 5.

Olje produseres via perforeringer 6 som er blitt skutt inn i en oljeførende formasjon. Nær den nedre ende av produksjonsrøret 2 er det montert en pakning 7 som tilveiebringer en fluidbarriere mellom innstrømningssonen 8 ved bunnen av brønnen og det ringformede rom 9 som er dannet mellom den ytre overflate av produksjonsrøret 2 og den indre overflate av et brønnforingsrør 10.

For å stimulere produksjonen av råolje via produksjonsrøret 2, injiseres løftegass via ringrommet 9 og en åpning 11 nede i brønnen inn i produksjonsrøret 2.

Løftegassen innmates i ringrommet via en gassinjeksjonsledning 12 og et ringformet kammer 13 ved brønnhodet 4. Gassinjeksjonsledningen 12 er utstyrt med en struper 14 som tjener til å innstille strømmen av løftegass. Det betydelige volum og den ' betydelige lengde av det ringformede rom 9 resulterer imidlertid i en vesentlig forsinkelse mellom det øyeblikk i hvilket posisjonen av struperen 14 varieres og det øyeblikk da dette resulterer i en variasjon av strømmen av gass som passerer gjennom åpningen 11 nede i brønnen.

Den variable struper 1 og styremodulen CM tjener til å unngå at raske variasjoner i fluidtrykk i produksjonsrøret 2 vil resultere i et ustabilt løftegass-injeksjonssregime, slik at løftegassen injiseres i "plugger" via åpningen 11 nede i brønnen inn i produksjonsrøret 2, og brønnen vil begynne å produsere uregelmessige plugger av råolje og løftegass.

Styremodulen CM mates kontinuerlig eller intermitterende med data angående foringsrørhodetrykket CHP som måles av en trykkmåler ved toppen av det ringformede rom 9, og produksjonsrørhodetrykket THP som måles av en trykkmåler ved toppen av produksjonsrøret 2. Til styremodulen CM tilføres også data angående temperaturen T av den produserte fluidblanding og strømmen av løftegass Qlg og av den produserte fluidblanding Qprod som måles ved hjelp av strømningsmålere som er montert i henholdsvis løftegassinjeksjonsledningen 12 og produksjonsrøret 2. I den viste utførelse styrer styremodulen CM ikke bare åpningen av produksjonsstruperen 1, men også åpningen av løftegassinjeksjonsstruperen 14.

Hovedoperasjonen av styremodulen CM er at den innstiller åpningen av produksjonsstruperen 1 slik at strømmen av løftegass gjennom åpningen 11 nede i brønnen forblir tilnærmet konstant. Dette oppnås ved å opprettholde et konstant differensialtrykk over åpningen nede i brønnen. Trykket nedstrøms av åpningen kan påvirkes ved å variere mottrykket ved brønnhodet, dvs. produksjonsrørhodetrykket THP. På denne måte varieres mottrykket som utøves av produksjonsrørhodetrykket THP på den produserte fluidblanding, slik at mottrykket øker som reaksjon på en reduksjon i det målte foringsrørhodetrykk CHP, og omvendt. Denne variasjon av produksjonsrørhodetrykket THP er en fyllestgjørende foranstaltning for å oppnå en i hovedsaken konstant injeksjonshastighet av løftegass ved nedhullsåpningen 11.

Styremodulen CM streber etter å minimere foringsrørhodetrykket CHP ved variasjon av åpningen av produksjonsstruperen 1.

Uten tvangsmidler ville imidlertid ytterligere og ytterligere åpning av produksjonsstruperen 1 føre til ustabilitet. Styremodulen CM er derfor innstilt for å adlyde en annen regel som foreskriver at jo lavere løftegassinjeksjonshastigheten Q)g er, jo bredere trenger styremarginen Cm(t) på produksjonsstruperen 1 å være. Innstilling av denne styremargin Cm(t) krever et visst empirisk skjønn som er innlemmet i en fuzzy-styreenhet FCU som skal beskrives nærmere under henvisning til fig. 2 og fig. 3.

Idet det nå henvises til fig. 2, er det der vist et blokkskjema som viser driften av styremodulen CM.

Hjertet av styremodulen CM er dannet av en konvensjonell PID-styreenhet, i blokkskjemaet angitt som PID, som innstiller posisjonen CP(t) av produksjonsstruperen 1 som reaksjon på variasjoner av det målte foringsrørhodetrykk CHP.

Flytskjemaet viser at foringsrørhodetrykket CHP er avhengig av produksjonsrørhodetrykket CHP, trykket Pres av fluidet i porene i reservoarformasjonen RES, og også av løftegassinjeksjonshastigheten Qlg via løftegasstruperen 14 og nedhullsåpningen 11.

Fuzzy-styreenheten FCU tilveiebringer en foringsrørhodetrykk-referanseverdi CHP sp(t) for PID-styreenheten, og innstiller også posisjonen av løftegassinjeksjons-struperen 14 på grunnlag av empiriske data, representert ved en pil 20, som identifiserer klasser av passende posisjoner av struperne 1 og 11 for forskjellige produksjonshastigheter.

Fuzzy-styreenheten FCU virker følgelig som en hovedstyreenhet for PID-styreenheten.

Vekselvirkningen mellom fuzzy-styreenheten FCU og PID-styreenheten skal beskrives nærmere under henvisning til det flytskjema som er vist på fig. 3.

Flytskjemaet vil bli beskrevet fra toppen til bunnen, og handlingene til fuzzy-styreenheten FCU og PID-styreenheten er inneholdt innenfor stiplede linjer.

Den første firkant ved toppen viser at en styresyklus starter med en måling i et visst øyeblikk i tid (t) av løftegassinjeksjonshastigheten Qjg(t), foringsrørhodetrykket CHP(t) og den virkelige posisjon Cp(t) av produksjonsstruperen 1.

Den neste firkant viser at fuzzy-styreenheten på grunnlag av den målte gasstrømningshastighet Qig(t) beregner strupermarginen Cm(t).

Senere verifiserer fuzzy-styreenheten FCU om den virkelige struperposisjon Cp(t) ligger under strupermarginen Cm(t).

Dersom dette er tilfelle, vil fuzzy-styreenheten FCU redusere referanseverdien for foringsrørhodetrykket CHP sp(t) for PID-styreenheten, mens den nevnte referanseverdi CHP sp(t) vil bli øket dersom dette ikke er tilfelle.

PID-styreenheten verifiserer senere hvorvidt det målte foringsrørhodetrykk CHP er lavere enn referanseverdien CHP sp(t) som tilføres av fuzzy-styreenheten FCU.

Dersom dette er tilfelle, vil PID-styreenheten redusere struperåpningen Cp(t), mens PID-styreenheten vil øke struperåpningen dersom dette ikke er tilfelle.

Målings- og styresyklusen gjentas deretter etter et valgt tidsintervall, og de samme trinn av prosedyren som er angitt i flytskjemaet, tas på nytt.

Oppførselen av styremodulen ifølge oppfinnelsen ble testet i en miniatyrisert brønn i hvilken vann ble produsert via et 18 meter høyt stigerør, og i hvilken luft ble injisert som løftegass via et ringrom som omga røret for å forsterke strømmen av vann gjennom stigerøret.

Under eksperimentet var løftegassinjeksjonshastigheten Qig 15 m<3> per døgn, og produktivitetsindeksen PI, simulert med en variabel restriksjon eller begrensning, var 10 m<3> per døgn per bar.

Diagrammet som er vist på fig. 4, viser responsen av foringsrørhodetrykket CHP og fluidproduksjonshastigheten Qprod på forskjellige innstillinger av produksjonsstruperen ved toppen av stigerøret. Den horisontale akse i diagrammet representerer medgått tid, i sekunder. Den vertikale akse inneholder en skala på 0-100 enheter som representerer både åpningen Cp av produksjonsstruperen (i %), det målte foringsrørhodetrykk CHP ganger en faktor 50 (i bar), og fluidproduksjonshastigheten Qprod ganger en faktor 10 (i m<3 >per dag).

Ved starten av eksperimentet, mellom t = 0 og 240 s, var produksjonsstruperposisjonen Cp fiksert på 60 % åpen. Uten dynamisk styring var en fast struperinnstilling på 60 % nødvendig for å oppnå stabil produksjon.

Diagrammet viser at med denne struperinnstilling var produksjonshastigheten Qprod stabil og i gjennomsnitt lik 1,9 m<3>/dag.

Ved t = 240 s ble styremodulen koplet inn og oppnådde en optimal struperinnstilling Cp = 91 % åpen ved t = 420 s.

Ved dette tidspunkt var den gjennomsnittlige produksjon Qprod lik 3 m<3> per dag, hvilket representerer en produksjonsøkning på 55 %.

Ved t = 660 s ble styremodulen koplet fra, og struperinnstillingen forble fiksert på 91 % åpen. Diagrammet viser at produksjonen ble ustabil og produksjonshastigheten Qprod falt til ca. 1,4 m3 per dag.

Ved t = 960 s ble styremodulen koplet inn på nytt. Den detekterte at det ikke var noen gassinjeksjon nede i brønnen, på grunn av at foringsrørhodetrykket CHP steg og styremodulen åpnet produksjonsstruperen fullstendig. Når løftegassinjeksjon nede i brønnen startet på nytt og foringsrørhodetrykket CHP således falt, lukket styremodulen delvis struperen og åpnet den igjen for å oppnå stabil og optimal produksjon på nytt med en hastighet på ca. 3 m3 per dag.

Man vil forstå at den kontinuerlige eller intermitterende variasjon av produksjonsstruperåpningen forbruker en vesentlig effektmengde.

Dersom brønnen er beliggende på et fjerntliggende sted og elektrisk effekt ikke er lettvint tilgjengelig, kan effekt for påvirkning av produksjonsstruperen genereres ved hjelp av en motor med positiv fortrengning eller en annen roterende kraftgenerator som benytter det forhøyede trykk av løftegassen i løftegassinjeksjonsledningen som kraftkilde. Innløpet til motoren eller generatoren er fortrinnsvis forbundet med løftegassledningen, og dens utløp med det oljeproduserende rør.

Styresystemet ifølge oppfinnelsen er også egnet for anvendelse på en brønn som omfatter flere råoljeproduserende rør som produserer råolje fra forskjellige steder i et reservoar. En slik brønn med flere kompletteringer kan produsere råolje enten fra forskjellige innstrømningsområder langs et eneste borehull, eller fra forskjellige innstrømningsområder langs forskjellige grener nede i brønnen. I et slik tilfelle kan forskjellige produksjonsrør være anordnet konsentrisk i den øvre del av brønnen, og løftegass kan injiseres ved forskjellige dybder inn i produksjonsrørene via det ringformede rom som er dannet mellom det ytterste produksjonsrør og brønnforingsrøret. Dersom hvert produksjonsrør i et slikt tilfelle er forsynt med et styresystem ifølge oppfinnelsen, som innstiller åpningen av en produksjonsstruper nær toppen av det aktuelle produksjonsrør på den måte som er beskrevet under henvisning til tegningene, oppnås en stabil gassinnsprøyting og en optimal råoljeproduksjon i hvert av produksjonsrørene.

Claims (6)

1. System for styring av produksjon av råolje gjennom et produksjonsrør (2) som strekker seg ned i en gassløftet oljeproduksjonsbrønn (3), og i hvilket løftegass injiseres på et sted nede i brønnen, idet systemet omfatter

- en variabel struper (1) for innstilling av strømmen av råolje gjennom produksjonsrøret (2), og - en styremodul (CM) for dynamisk styring av struperens åpning, hvilken styremodul benytter det trykk som måles av en trykkmåler i løftegassinjeksjonsledningen (12), som inngangssignal, karakterisert ved at styremodulen (CM) omfatter en PID (proporsjonal-integral-derivat)-styreenhet som er innstilt for å styre struperens (1) åpning dynamisk på en slik måte at fluidtrykket i løftegass-injeksjonsledningen (12) minimeres og stabiliseres på bakgrunn av det nevnte inngangssignal.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at styremodulen (CM) videre omfatter en hovedstyreenhet (FCU) som omfatter en fuzzy-logikk-algoritme for generering for PID-styreenheten av en referanseverdi for trykket i løftegassinjelcsjonsledningen (12).

3. System ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den variable struper (1) og styremodulen (CM) er beliggende på jordoverflaten på et sted nær brønnhodet (4) til den gassløftede oljeproduksjonsbrønn (3).

4. System ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at brønnen omfatter flere råoljeproduserende rør og løftegass injiseres på forskjellige steder nede i brønnen inn i de forskjellige produksjonsrør via en felles gassinjeksjonsledning som er i det minste delvis dannet av et ringrom rom mellom produksjonsrørene og et brønnforingsrør, og at hvert produksjonsrør er utstyrt med en variabel struper (1) for strømmen av råolje, og hvor åpningen av hver struper styres av styremodulen (CM).

5. System ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den variable struper (1) er utstyrt med en effektanordning som utnytter det forhøyede fluidtrykk av løftegassen inne i løftegassinjeksjonsledningen (12) som kraftkilde.

6. System ifølge krav 5, karakterisert ved at effektanordningen består av en motor med positiv fortrengning av hvilken et innløp er forbundet med løftegassinjeksjonsledningen (12) og et utløp er forbundet med produksjonsrøret (2) eller ett av produksjonsrørene.