NO315288B1 - Installasjon for pumping av en to-fase utströmming av v¶ske/gass - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører installasjon for pumping av en to-fase utstrømning av væske/gass, og spesielt en slik installasjon for pumping av hydrokarboner fra en oljebrønn.

I noen oljebrønner er den naturlige strømning av hydrokarboner fra bunnen til overflaten ikke tilstrekkelig til å tillate eller opprettholde kommersiell produksjon. Dette skyldes enten viskositeten og vekten av strømnings-produktene, i det følgende kalt effluentene, eller at et naturlig trykk ved bunnen av brønnen er for lavt i for-hold til de faktorer som motvirker hevningen av disse effluenter til overflaten. For at brønnen skal kunne ut-nyttes i kommersiell skala, er det ønskelig å benytte et system for å heve effluentene kunstig, eller et brønnak-tiveringssystem. Eksempelvis kan en pumpe monteres ved den nedre ende av et produksjonsrør plassert i brønnen, eller det kan anordnes en installasjon for injisering av gass i bunnen av brønnen. Sistnevnte type installasjon, vanligvis kjent som gassløfter, benyttes for å lette søy-len av hydrokarboner som befinner seg i brønnen slik at den lettere kan heves til overflaten.

En installasjon for injisering av gass i bunnen av en brønn er vanligvis pålitelig, men har den ulempe at den på et avsidesliggende sted vil kreve en kilde for trykk-gass, f.eks. en kompressor og dennes tilhørende rør-system.

Bruken av en pumpe plassert ved den nedre ende av et pro-duksjonsrør gjennom hvilket to-fase effluenten av væske/gass heves til overflaten, har den ulempe at denne effluent inneholder en betydelig andel gass. Boblene som inneholdes i effluenten er kompressible, slik at en del av pumpeenergien går med til å komprimere gassen isteden-for å føre fluidet til overflaten. Dette fenomen kan tillike føre til at strømningsmengden av det pumpede fluid blir null (en situasjon som vanligvis betegnes kavitasjon eller gasslåsing). Sentrifugalpumper er spesielt utsatt for gasslåsing, spesielt i brønner, fordi de er plassert ved foten av en søyle av fluid, som på grunn av sin egen vekt skaper et hydrostatisk mottrykk som selv ved null strømningsmengde motvirker leveringen. Videre er å si at under strømningsstopper vil gassene og væsken separere under innvirkning av tyngdekraften ved bunnen av brønnen, og i visse situasjoner skaper dette alvorlige funksjonsforstyrrelser i pumpen når den startes på nytt dersom den ansamlede gass entrer pumpen eller tillike dersom en stor boble av gass har dannet seg inne i pumpen under disse forbigående tilstander.

Det er derfor å anbefale at det meste av gassen blir separert fra væskefasen av effluenten før denne væske trekkes inn av pumpen. Derved kan all pumpeenergien bli be-nyttet til å transportere væsken til overflaten, og risi-koen for kavitasjon er redusert.

Imidlertid krever denne separasjon av gass oppstrøms for pumpen et gassutløpsrør som er forskjellig fra det som benyttes av væsken som passerer gjennom pumpen. En fel-les måte å oppfylle denne funksjon på er å la gassen "ventilere" - dvs. bevege seg - gjennom det ringformede rom som befinner seg mellom innerveggen av brønnens foring og ytterveggen av produksjonsrøret som benyttes for strømmen av pumpet væske. Denne fremgangsmåte medfø-rer imidlertid flere store ulemper, hvilke har den konse-kvens at utnyttelsen av brønnen blir dyrere og til og med farlig. Dette gjelder spesielt tap av naturlig hevende energi, kjemisk og/eller mekanisk angrep på materialene i kontakt med gassen, og betydelige og ukontrollerbare var-mevekelinger mellom effluentene og brønnens omkrets som kan forårsake dyre strømningsproblemer.

Por delvis å avhjelpe disse ulemper beskriver FR-A-2.723.143 en installasjon for en oljebrønn som omfatter en pumpe plassert ved den nedre ende av et første pro-duksjonsrør, idet et andre produksjonsrør er beregnet for å motta som nødvendig gass fra effluenten separert opp-strøms for pumpen og transportere denne helt til overflaten uavhengig av væskefasen. For å befordre separasjonen av gassen fra effluenten ved bunnen av brønnen, har pumpen i dette dokument en hylse som strekker seg så langt som til nivået under laget av oljeførende bergart. Effluenten som entrer brønnen tvinges således til å strømme nedad før den trekkes opp av pumpen, og dette har den effekt at det garanteres utmerket separasjon av gassen som er ment å skulle benytte det uavhengige pro-duksj onsrør.

Selv om pumpen tillates å motta en effluent som inneholder et lavt gassinnhold, har imidlertid installasjonen som beskrives i FR-A- 2.723.143 ulemper ved at den krever et andre produksjonsrør langs hele lengden av brønnen, noe som resulterer i betydelige dimensjonsmessige-og øko-nomiske begrensninger i arbeidet. Videre vil søylen av væskeeffluent som heves til overflaten av pumpen være tung fordi den er hovedsakelig fri for gass, og dette be-tyr at større pumpeeffekt er nødvendig.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er derfor en installasjon for pumping av en to-fase effluent av væske/gass som er av enkel, robust og pålitelig konstruksjon og som ikke er gjenstand for forannevnte ulemper.

For å oppnå dette formål, tilveiebringer foreliggende oppfinnelse en pumpeinstallaBjon beregnet for montering i en brønn som strekker seg fra overflaten ned til et lag av oljeførende bergart, omfattende et produksjonsrør ved hvis nedre ende en pumpe er montert, en tetning som er montert i brønnen rundt produksjonsrøret og avgrenser et kammer ved den nedre ende av brønnen, i hvilket kammer pumpen er plassert, karakterisert ved at installasjonen videre omfatter en hydroejektor i produksjonsrøret omfattende en undertrykkssone som via åpninger i hydroejektoren står i fluidforbindelse med den øvre delen av kammeret.

Andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremtre tydeligere ved lesing av den følgende beskrivelse med henvisning til vedføyede diagrammer og tegninger, hvor: fig. 1 er et lengdesnitt av en installasjon ifølge en første utførelse av oppfinnelsen, og

fig. 2A til 2C er skjematiske riss av tre operasjonsmåter for oppfinnelsen.

Som vist på fig. 1, strekker en oljebrønn 10 seg mellom overflaten (ikke vist) og et lag av oljeførende bergart 12. Brønnen har perforeringer 14 som åpner inn i den ol-jeførende bergart og som gjør det mulig for hydrokarbon-effluenten å strømme inn i brønnen 10. Brønnen 10 omfatter en foring 16 som tetter denne mot lagene av bergart som brønnen passerer gjennom. Inne i brønnen strekker et produksjonsrør 18 seg mellom overflaten og et punkt noen få meter over bergartlaget 12. Produksjonsrøret 18 har ved sin nedre ende en pumpe 20 som er forsynt med innløp 22 for effluenten som skal transporteres til overflaten. I det viste eksempel er pumpen 20 en roterende sentrifu-galpumpe, og dens motor tilføres kraft fra overflaten via en elektrisk ledning (ikke vist). Effluenten fra bergartlaget 12 som fyller brønnen opp til et nivå 24, beve-ger seg i retning av pilene 26 før den trekkes inn av pumpen 20. Under denne bevegelse frigjøres gassen som inneholdes i effluenten og stiger opp inne i brønnen helt opp til en tetning 28, vanligvis betegnet som en pakning, for derved å danne en gasslomme 30 mellom nivået 24 av væskeeffluenten og tetningen 28 i et kammer 31 som av-grenses av brønnen 10 under pakningen 28. Pumpen 20 kan med fordel omfatte en spesiell ledeskovltype eller dyna-misk separator av sentrifugal- eller virveltypen for bedre å sikre separasjon oppstrøms for pumpen (ikke vist). Uten en slik separator vil separasjonen vanligvis skje på grunn av tyngdekraften i kammeret 31, hvor råoljen som strømmer ut av perforeringene vil bevege seg med en rela-tivt lav hastighet på grunn av tverrsnittet av deres passasje.

Pakningen 28 avgrenser et ringformet kammer 33 begrenset av innerveggen av foringen 16 og ytterveggen av produk-sjonsrøret 18 mellom tetningen 28 og overflaten. Pakningen 28 forhindrer effluenten og spesielt gassen fra å entre kammeret 33. Disse kan ikke passere gjennom den øvre del av brønnen uten gjennom produksjonsrøret 18. Kammeret 33 og alt utstyret dette inneholder, så som kraftledningen til pumpen 20, spares derfor for mekaniske og kjemiske angrep og forblir tilgjengelig for andre funksjoner, så som f.eks. opptagelse av et isolasjonsma-teriale for termisk isolasjon av produksjonsrøret 18.

I området for gasslommen 30 omfatter produksjonsrøret 18 en væske-gass-hydroejektor 32 eller venturi, som er beregnet på å skape et undertrykksområde 34 inne i seg ved hjelp av en venturieffekt. Væske-gass-hydroejektoren 32 omfatter åpninger 36 som bringer undertrykkssonen 34 i forbindelse med gasslommen 30.

Når den ovenfor beskrevne pumpeinstallasjon settes i operasjon, settes pumpen 20 i bevegelse slik at den trekker væskeeffluent gjennom innløpene 22 og leverer den i retning av pilen 38 mot overflaten. Effluentens passasje gjennom væske-gass-hydroejektoren 32 skaper et undertrykk inne i denne på grunn av dens geometri i form av en kon-vergerende dyse, hvilket undertrykk bevirker at gass trekkes gjennom åpningene 36 fra gasslommen 30 i retning av pilene 40. Inne i hydroejektoren medføres gassen av væskeeffluenten fra pumpen 20 og blander seg med denne, noe som letter søylen av effluent inneholdt i produk-sjonsrøret 18 og gjør det lettere å heve denne til overflaten .

Da gasslommen 30 alltid står i forbindelse med produk-sjonsrøret 18 via åpningene 36, unngås det at det dannes en gasslomme som strekker seg helt ned til pumpen 20, selv i tilfelle av en lengre avstengning av installasjonen. Resultatet av dette er at det unngås at pumpen startes omgitt av gass. Fig. 2A viser skjematisk den normale strømningskonfigura-sjon tilsvarende den som er beskrevet ovenfor under henvisning til fig. 1. Driftsmåtene for oppfinnelsen illustrert på fig. 2B og 2C innbefatter ytterligere trekk som lar installasjonen reagere bedre på transiente eller forbigående uheldige situasjoner og gjør den i stand til å være mer funksjonsdyktig og effektiv. Fig. 2A viser igjen skjematisk trekkene av installasjonen på fig. 1. Væsken som leveres av pumpen 20 i retning av pilen 38, trekker gass inn i hydroejektoren 32 i retning av pilen 40. Blandingen av væske rekombinert med gass sendes mot overflaten via produksjonsrøret 18 i retning av pilen 50. Fig. 2B viser skjematisk situasjonen hvor i en installasjon ifølge oppfinnelsen pumpen 20 i sitt pumpenjul trekker inn en effluent som inneholder en høy andel gass eller store gassbobler. Sentrifugalpumper er noe intole-rante når det gjelder gassbobler da de ikke er konstruert for å levere slike effluenter. Det er derfor tilrådelig å muliggjøre føring av disse bobler mot pumpens utløp før man fortsetter å transportere effluent mot overflaten.

Problemet er at tilstedeværelsen av store gassbobler i pumpen 20 kan oppstå selv om gassen separeres oppstrøms før fluidene entrer pumpen 20, f.eks. fordi det skjer en ytterligere frigivelse av gass inne i pumpen 20, eller alternativt under en forbigående operasjonsfase så som restarting av installasjonen. For å unngå at en slik situasjon forlenges og blir stasjonær til skade for utstyret som vil gå varmt og til skade for brønnproduksjonen som vil bli null, har oppfinnelsen den hensikt at leveringen fra pumpen 20 avlastes for det første med en til-bake sl ags vent il 52 i produksjonsrøret 18 mellom pumpen 20 og hydroejektoren 32 for å forhindre tilbakestrømning av effluenter mot pumpen 20 og for å bære vekten av det hy-drostatiske trykk, og for det andre en sideåpning 54 som er plassert under denne ventil og tillater sideveis ut-strømning av effluenter bestående hovedsakelig av gass mot det ringformede kammer 31. Denne ventil 52 og den laterale åpning 54 er fortrinnsvis innretninger som kan bringes på plass og trekkes ut av brønnen ved hjelp av en kabel under bruk av en operasjon som vanligvis er kjent som kabelkjøring for å gjøre dem rimelige å vedlikeholde. Det er f.eks. mulig å benytte utstyr inneholdt i laterale lommer av den type som vanligvis benyttes for ventiler for injisering av gass for å lette effluentsøylen og som er vanlig kjent som sidelommer. Den laterale åpning 54 må lukkes så snart en viss strømningsmengde av væskeeffluent og et høyere trykk er blitt reetablert ved utløpet av pumpen 20. Driften av denne laterale åpning 54 kan enten styres fra overflaten ved bruk av en elektrisk eller hydraulisk styreledning på basis av parametre tilgjengelige ved overflaten, eller kan alternativt styres automatisk og lokalt, f.eks. ved bruk av leverings-trykket av pumpen 20 eller trykkdifferansen på grunn av effluentens friksjon mellom innløpet og utløpet av den laterale åpning 54. Dette prinsipp benyttes i sikker-hetsventiler kjent som "storm chokes".

Som vist på fig. 2B, når pumpen ikke lenger transporterer væskeeffluent mot overflaten, strømmer søylen av væske som befinner seg i produksjonsrøret 18 nedstrøms for hy-droej ektoren 32 under innvirkning av sin egen vekt gjennom åpningene 36 i hydroejektoren mot kammeret 31 inntil likevekt etableres. Når produksjonsrøret er tømt og likevekt er etablert, kan gassen som befinner seg i kammeret 31 stige opp til overflaten idet den entrer produk-sjonsrøret 18 gjennom åpningene 36. Selv om nivået 24 av væskeeffluenten har sunket under nivået for pumpen 20, vil denne strømning av gass inn i kammeret 31 tillate væskenivået 24 å stige over pumpens 20 nivå. Når pumpen på nytt er neddykket i væskeeffluent som inneholder en liten andel gass, kan transporten av effluent til overflaten fortsette.

Fig. 2C viser skjematisk en installasjon beregnet på å avhjelpe problemene som kan oppstå når nivået 24 av væsken overskrider nivået av hydroejektoren 32.

En slik situasjon oppstår dersom hydroejektoren har en gassinntakskapasitet som overskrider strømningsmengden av gassen som frigjøres ved separasjonen oppstrøms for inn-løpet av pumpen 20. Dette er til like den mest sannsyn-lige situasjon som kan oppstå i den normale utformning av installasjonen ifølge oppfinnelsen. Selv om hydroejektoren er i stand til å fungere i en væske-væske-modus slik det vanligvis er tilfelle i strålepumping, er det mest å foretrekke å unngå medføring av væske fra kammeret 31 av væskeeffluentene som strømmer i retning av pilen 38 fordi slik medføring vil redusere ytelsen og/eller effektivite-ten av systemet. For å unngå denne medføring av væske og for å gjøre medføringen selektiv når det gjelder gassen og væsken i kammeret 31, blir flere løsninger foreslått i det følgende. Den første baserer seg på det faktum at hydroejektoren 32 er mer eller mindre i stand til å gjøre denne seleksjon naturlig gjennom hydraulisk låsing. Dette er det fenomen som trer i kraft når strålen i væske-væske-strålepumping bevirker gasslåsing, dvs. at den ikke lenger klarer å medføre væske. Denne tilstand oppnås ved en tilstrekkelig høy strømningsmengde av medført væske. Den andre består i å benytte en flottør beregnet på å blokkere det laterale gassinnløp på hydroejektoren 32 når væsken i kammeret 31 hever denne. Denne flottør vil også her være et system som kan fiskes ut ved hjelp av en kabel og som f.eks. kan monteres i en sidelomme, gjennom hvilken all gassen fra lommen 30 ville passere før den entrer hydroejektoren 32. Den tredje, som også kan fiskes ut ved bruk av en kabel, vil være ekvivalent med flottøren, men med forskjellig teknologi, f.eks. en klaff eller en form for stormstrupelukning av væskepassasjen. Det er også mulig å forestille seg en åpning eller dyse med liten diameter med lav motstand mot gasstrømning og meget høy motstand mot væskestrømning, som til like kan bevirke frigjøring av gass fra sistnevnte.

Væske-gass-hydroejektoren 32 og hjelpeutstyret tilsvarende funksjonene illustrert på fig. 2B og 2C, samt den be-vegelige del av pumpen, er med fordel konstruert slik at de kan heves opp til overflaten ved hjelp av en kabel når vedlikeholdsoperasjoner blir nødvendige.

Væske-gass-hydroejektoren kan være montert i produksjons-røret ved et punkt over tetningen, idet undertrykkssonen står i forbindelse med kammeret via en kanal som passerer gjennom tetningen.

Claims (5)

1. Pumpeinstallasjon for montering i en brønn (10) som strekker seg fra overflaten ned til et lag av oljeførende bergart, omfattende et produksjonsrør (18) ved hvis nedre ende det er montert en pumpe (20), en tetning (28) som er montert i brønnen rundt produksjonsrøret (18) og avgrenser et kammer (31) ved den nedre ende av brønnen, i hvilket kammer pumpen er plassert, karakterisert ved at installasjonen videre omfatter en hydroejektor (32) i produksjonsrøret (18) omfattende en undertrykkssone (34) som via åpninger (36) i hydroejektoren (32) står i fluidforbindelse med den øvre delen av kammeret (31).

2. Installasjon ifølge krav 1, karakterisert ved at hydroejektoren (32) er montert i produksjonsrøret (18) umiddelbart under tetningen (28), idet åpningene utformet i hydroinjektoren åpner seg direkte i kammeret (31) .

3. Installasjon ifølge krav l, karakterisert ved at hydroejektoren (32) er montert i produksjonsrøret (18) ved et punkt over tetningen (28), idet undertrykkssonen (34) står i forbindelse med kammeret (31) via en kanal (46) som passerer gjennom tetningen (28).

4. Installasjon ifølge et av kravene 1-3, karakterisert ved at pumpen videre omfatter en sentrifugalseparator som står i forbindelse med undertrykkssonen (34) av hydroejektoren (32).

5. Installasjon ifølge et av kravene 1-4, karakterisert ved at den i tillegg omfatter en tilbakeslagsventil (52) som er montert i produk-sjonsrøret (18) mellom pumpen (20) og hydroejektoren (32), og en lateral åpning (54) i produksjonsrøret (18) mellom pumpen (20) og tilbakeslagsventilen (52).