NO322167B1 - Fremgangsmåte og anordning for å detektere vanngjennombrudd ved brønnproduksjon av olje og gass, samt anvendelse av fremgangsmåten i en olje- og gass-produksjonsprosess - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å detektere vanngjennombrudd og bestemme vanninnholdet i en produksjonsbrønn.

Det er et velkjent problem i olje- og gassindustrien å detektere det første vannet som produseres i en produksjonsbrønn fra et olje/gassreservoar. Ved oppstarten av de fleste produksjonsbrønner, produseres kun en liten mengde vanndamp. Etter en viss tid etter første gangs oppstart av en produksjonsbrønn vil det produseres vann i væskefonm sammen med oljen og/eller gassen. Dette vannet har sin opprinnelse i formasjonsvannet eller vann som injiseres i andre brønner for å øke trykket og dermed utvinningsgraden.

I denne sammenheng forstås begrepet "vanngjennombrudd" som det tidspunkt når vann i væskeform begynner å produseres fra reservoaret.

Årsakene til at det er viktig å detektere vanngjennombrudd og vedvarende produk-sjon av vann er bl.a. følgende: - Vann kan føre til hydratdannelse og gjentetning av produksjonssystemet.

Det er ofte nødvendig å injisere hydratinhibitorer på kontinuerlig basis for å forhindre dette. Når produksjonen av vann øker, må man øke mengden hydratinhibitorer tilsvarende for å holde tritt med vannproduksjonen. Det er derfor viktig å vite når vannproduksjonen starter og hvor stor den er. - Vann kan føre til alvorlige korrosjonsproblemer i produksjonssystemet. For å forhindre korrosjon, må det normalt injiseres korrosjonsinhibitorer i meng-der som står i forhold til vannproduksjonsraten. - Sammen med vannet følger det salter som kan felles ut som "scale". For å hindre at utfelt salt tetter igjen ulike deler av produksjonssystemet, må det injiseres scale-inhibitorer med en gang vann blir produsert. - For reservoardriften og oppdatering av ulike geologiske og produksjons-messige modeller er det svært viktig å vite når og hvor mye formasjonsvann produseres og om injisert vann kommer inn i produksjonsbrønnen.

US 5 400 657 omhandler en anordning og fremgangsmåte for måling av gass-, olje vannstrømningsmengde i et brønnproduksjonsfluid. I en utførelse måles temperatur og trykk før og etter en trykkfallsanordning, samt fluidtetthet oppstrøms og nedstrøms trykkfallsanordningen. Ut fra målingene beregnes gass-, olje- og vannstrømningsmengde ved hjelp av et sett likninger som beskriver strømnings-prosessen over trykkfallsanordningen.

I "Benefits derived from the application of Virtual Metering Production Simulatons Software (VMSS3)", 20th North Sea Flow Measurement Workshop 2002, beskriver B.T. Yocum et al programvare til bruk I målesystemer for deteksjon av økt vannfraksjon og gass/olje-forhold i en flerfasebrønnstrømning.

De eksisterende fremgangsmåtene for å detektere vanngjennombrudd baserer seg i hovedsak på instrumenter som måler produksjonsstrømmens kapasitans. Det finnes også fremgangsmåter som baserer seg på absorpsjon av gammastråler i produksjonsstrømmen. Disse metodene er kostbare både i innkjøp og vedlike-hold, spesielt i forbindelse med havbunnsinstallasjoner, i tillegg til at de krever komplisert elektronikk som gjør dem utsatt for mange feil. Metoder som baserer seg på gammakilder utgjør et problem med tanke på sikker håndtering. I tillegg har dagens metoder følgende ulemper: De gir resultater som ofte er avhengig av olje- og gasstetthet, saltinnhold

samt strømningsregime. Disse parametrene er som oftest ukjente.

Kapasitive metoder fungerer ikke for vann med lite salt.

Kapasitive metoder er svært utsatt for feilmålinger dersom det dannes

vannfilm på veggen.

Begge metodene kan feile på grunn av avsetting av salter (scaling). Vanndeteksjonsgrensen er høy, dvs. at det går betydelig tid mellom det reelle vanngjennombruddet og når det blir nok vann i produksjonsstrømmen til at det er målbart.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer blant annet en fremgangsmåte som ikke er beheftet med ovennevnte ulemper. Nærmere bestemt tilveiebringer oppfinnelsen en fremgangsmåte som er særpreget ved de trekk som er angitt i den karakteriserende delen av krav 1, et datamaskinprodukt som er særpreget ved de trekk som er angitt i den karakteriserende delen av krav 9, samt en anvendelse som er særpreget ved de trekk som er angitt i den karakteriserende delen av krav 13. Ytterligere fordelaktige utførelser og trekk er angitt i de uselvstendige kravene.

I det følgende gis det en mer inngående beskrivelse av fordelaktige utførelser ifølge foreliggende oppfinnelse under henvisning ti) de vedføyde figurer, der: Fig. 1 viser virkningen av vann på nedstrøms choketemperatur utregnet ved hjelp

av en trefaset, isentalpisk flashmodell,

Fig. 2 viser en choke samt målepunktene,

Fig. 3 viser et flytskjema med de trinn som skal til for å utføre den kvalitative delen av oppfinnelsen samt den kvantitative delen av oppfinnelsen uten bruk av alkohol, og Fig. 4 viser et flytskjema med de trinn som skal til for å utføre den kvantitative

delen av oppfinnelsen ved hjelp av alkohol.

Ifølge et første aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en fremgangsmåte for å detektere vanngjennombrudd i produksjonsstrømmen. Dette utgjør den kvalitative delen av foreliggende oppfinnelse. Produksjonsstrømmen 6 vil på sin vei opp til overflaten passere en eller flere trykkfallsanordninger, så som strupeventiler eller en choke 3 (Fig. 2), der trykket faller betraktelig og fører til at metningsmengden for vanndamp øker, slik at vann i væskeform går over til gassfasen (avdampning). Dette fører til at temperaturen 2 etter trykkfallsanordningen vil bli lavere enn den som beregnes ved hjelp av en modell for den isentalpiske prosessen over trykkfallsanordningen dersom det ikke fantes fritt vann oppstrøms for trykkfallsanordningen (Fig. 1). Ved å kontinuerlig måle og overvåke temperaturen og trykket før og etter choken 1,2, vil det gi en klar indikasjon på vanngjennombrudd når dette temperatur- og trykkavviket detekteres. Dersom nye beregninger utføres med den antagelsen at det nå er fritt vann oppstrøms for trykkfallsanordningen 3 og denne beregningen i tillegg gir et temperaturfall som stemmer med målingen, kan det konkluderes at det har oppstått vanngjennombrudd. Modellen for den isentalpiske prosessen over trykkfallsanordningen 3 må inkludere partialtrykk av vanndamp som funksjon av temperaturen samt fordampning av vann som resultat av temperaturen.

For å skaffe tilveie flere og eventuelt bedre måleverdier, kan choken 3 strupes tilbake eller åpnes slik at trykkfallet over choken kan økes eller reduseres. Dette kan benyttes til å tegne en kurve mellom sammenhengen trykkfall og temperaturfall over choken (Fig. 1). Dette vil øke påliteligheten og nøyaktigheten både for deteksjon av vanngjennombrudd og kvantifisering av vannproduksjonsraten.

Eksempel:

Prinsippene ifølge foreliggende oppfinnelse er beskrevet nærmere i det følgende: Temperaturen og trykket til brønnstrømningen 6 (som inneholder olje, gass og evt. fritt vann) måles både oppstrøms og nedstrøms for choken 1,2. Temperaturen 2 nedstrøms for choken DCT (Downstream Choke Temperature) beregnes ved hjelp av en varmefordampningsmodell for vann basert på Joule-Thompson kjøling av blandinger, i tillegg til en varmebalansemodell rundt produksjonstreet dersom alkohol injiseres oppstrøms for DCT-målingen.

Det er beregnet at temperaturfallet over choken kan øke med 3 °C ved vanngjennombrudd ved et trykkfall fra 500 bar til 200 bar. Dette vil være lett å detektere dersom det utføres beregninger som beskrevet ovenfor.

Virkningen av vannet på DCT-målingen beregnes ved hjelp av en såkalt isentalpisk trefase-flash-model (vann, olje, gass).

UCT (Upstream choke temperature) - Temperaturen oppstrøms for choken. DCT (Downstream choke temperature) = Temperaturen nedstrøms for choken.

Massestrømningen av HC (Hydrokarboner) med 2000 SmVd oil og en GOR {Gas-Oil-Ratio) på 1240 er: HC.Massestrømning = 2000 <*> (810 + 1240<*>0.93)/24/3600 = 45 kg/s

Den molekylære vekten for HC-blandingen er 34.3 kg/kmol = 0.0343 kg/mol HC_Mol-strømning = 45/0.0343 = 1312 mol/s

Driftsdata:

Over choken fordamper 25.6 -12.6 = 13 mol/s vann dersom det finnes fritt vann som kan fordampe. Fordampning av 2.8 mol/s vann krever følgende varmevirk-ning: 13 mol/s <*>18/1000 kg/mol <*> 2750 kJ/kg = 644 kJ/s - 0.64 MW

(Fra damptabell: Fordampningsvarme for vann er 2750 kJ/kg)

Fordampningen av vann over choken gir et økt temperaturfall (AT) som beregnes slik:

HC_Masserate <*> Cp <*> AT = 0.64 <*> 10<6>

HC_Masserate = 45 kg/s

Cp = spesifikk varmekapasitet for HC= 3000 kJ/kg/K

AT = ~ 4.7 °C

Produksjonsraten for fritt vann fra reservoaret som behøves for å få dette temperaturfallet over choken beregnes til: 13 mol/s <*> 0.018 kg/mol <*> 24<*> 3600 /(1000 kg/ m<3>) = 20 m3/ d

Et andre aspekt ved oppfinnelsen er en fremgangsmåte for å tallfeste mengden av vann i produksjonen. Dette utgjør den kvantitative delen av foreliggende oppfinnelse.

Fig. 3 viser et flytskjema der de logiske trinnene som utføres ifølge en utførelse av foreliggende oppfinnelse for indikasjon på vanngjennombrudd er presentert, i tillegg til at den angir en måte å beregne vannmengden uten injeksjon av alkohol.

Temperatur og trykk måles 1,2 og overvåkes før og etter en trykkfallsanordning 3, der målingene sammen med andre relevante parametere (strømningsmengde, komposisjon, etc.) 4 implementeres i en modell for beregning av forventet trykk og temperatur etter trykkfallsanordningen 3, der resultatet fra modellen sammenliknes med de reelle trykk- og temperaturmålinger 1, 2. Et betydelig avvik i form av et høyere enn forventet temperaturfall nedstrøms for trykkfallsanordningen 3 indikerer at det har oppstått vanngjennombrudd. Det kan konkluderes at det faktisk har skjedd vanngjennombrudd dersom dette avviket stemmer overens med det avviket som beregnes med en modell for en isentalpisk (eller strømnings-) prosess over en trykkfallsanordning 3 som inkluderer ekstra kjølingseffekt på grunn av fordampning av vann.

Etter detekteringen av vanngjennombrudd, kan man anta en vannrate, hvorpå et teoretisk choketemperaturfall nedstrøms for choken beregnes på grunnlag av den antatte vannraten, der det teoretiske choketemperaturfallet nedstrøms for choken sammenliknes med de reelle trykk- og temperaturmålinger 1, 2, der den antatte vannraten tilsvarer den reelle vannraten dersom avviket mellom det teoretiske choketemperaturfallet nedstrøms for choken og de reelle trykk- og temperaturmålinger 1, 2 er under en forhåndsbestemt verdi, der den antatte vannraten justeres videre opp eller ned dersom avviket mellom det teoretiske choketemperaturfallet nedstrøms for choken og de reelle trykk- og temperaturmålinger 1, 2 er over den forhåndsbestemte verdien, idet dette gjentas inntil avviket mellom det teoretiske choketemperaturfallet nedstrøms for choken og de reelle trykk- og temperaturmålinger (1, 2) går under den forhåndsbestemte verdien og man kan fastslå at den antatte vannraten tilsvarer den reelle vannraten.

Fig. 4 viser et flytskjema for kvantifikasjon av vannmengde ved hjelp av alkohol.

Etter detekteringen av vanngjennombrudd, kan en kjent mengde alkohol 5 med kjent temperatur injiseres inn i produksjonsstrømmen oppstrøms for trykkfallsanordningen 3, idet man dermed får en endring i temperaturfall over trykkfallsanordningen som anvendes til å beregne strømningsmengde av produsert vann fra brønnen, idet beregningen utføres ved hjelp av en termodynamisk modell som omfatter de fysiske prosessene som har vesentlig betydning for temperaturfallet over trykkfallsanordningen.

Som nevnt må det injiseres en hydratinhibitor 4 i produksjonen for å forhindre dan-nelsen av hydrater. Hydratinhibitoren omfatter gjerne en alkohol i form av for eksempel metanol eller glykol. Etter detekteringen av vanngjennombrudd, injiseres en kjent mengde alkohol 5 inn i produksjonsstrømmen 4 oppstrøms for choken. Temperaturen etter choken vil da endres avhengig av forholdet mellom mengde produsert vann og injisert alkohol. Temperaturberegningsmodellen kan innbefatte

følgende:

• En varmebalanse mellom de innkommende strømmene (brønnstrøm og alkohol) og samlestrømmen ut. • Partialtrykk av vann og alkohol som funksjon av temperatur og konsentra-sjon av alkohol i vann-alkohol-væskefasen.

En modell for fordeling av vannmolekyler, alkoholmolekyler og olje/gass-molekyler i de tre fasene: en vann/alkohol-fase, en hydrokarbon-væskefase og en gassfase (som inneholder både vann og alkohol damp i gassform i tillegg til hydrokarbon molekylene). I enkelte tilfeller kan olje og gass være en fase, enten fordi man er over boblepunktstrykket for oljen eller fordi det er såkalt "dense phase".

Fordampningsvarme for vann og alkohol.

Denne modellen kan benyttes til å beregne hvor mye vann som produseres ut fra endring i temperaturfall over trykkfallsanordningen dersom følgende er kjent i tillegg til trykk og temperatur opp- og ned-strøms trykkfallsanordningen:

Strømningsmengden av olje og gass 4.

Strømningsmengden av alkohol 5.

Temperaturen på alkoholen som injiseres.

Etter kvantifiseringen av vannraten i produksjonen, kan resultatet anvendes til å strupe produksjonen fra en brønn for å redusere den kvantifiserte vannproduksjonsmengde, slik at det ved maksimal(e) injeksjonsrate(r) av inhibitor(er) oppnås anbefalt(e) konsentrasjon(er) inhibitor(er) i vannfasen.

Eventuelt eller alternativt kan resultatet av kvantifiseringen brukes til å strupe produksjonen fra en brønn for å redusere den kvantifiserte vannproduksjonsmengde ned til den maksimale vannbehandlingskapasitet i mottaksprosessanlegget.

Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse kan implementeres som programvare, maskinvare eller er kombinasjon av disse. Et dataprogramprodukt som implementerer fremgangsmåten eller deler av denne, omfatter en programvare eller et dataprogram som kan kjøres på en alminnelig eller spesielt anpasset datamaskin, prosessor eller mikroprosessor. Programvaren omfatter kode-elementer for dataprogram eller programvarekodedeler som får datamaskinen til å utføre fremgangsmåten ved å anvende minst et av trinnene beskrevet i fig. 3 og/eller 4. Programmet kan helt eller delvis lagres på ett eller flere egnede datalesbare medier eller dataminneorgan, så som en magnetisk plate, CD-ROM, DVD-ROM, harddisk, magneto-optisk minneorgan, RAM, ROM, flashminne, en fast programvare og/eller på en dataserver. Dataprogramproduktet eller dataprogrammet kan også være tilgjenglig fra et nett, så som internett.

Claims (13)

1. Fremgangsmåte for detektering av vanngjennombrudd i en brønnproduk-sjon, der temperatur og trykk måles (1, 2) før og etter en trykkfallsanordning (3), der målingene sammen brønnkomposisjonen og andre relevante parametere (4) benyttes i en modell for beregning av trykk eller temperatur før eller etter trykkfallsanordningen (3), idet fremgangsmåten er karakterisert ved at modellen beskriver den isentalpiske prosessen over trykkfallsanordningen, der modellen inkluderer ekstra kjølingseffekt på grunn av fordampning av en antatt vannfraksjonsverdi, idet resultatet fra modellen sam-menlignes med målte trykk- og/eller temperaturverdier, der et avvik mindre enn en forutbestemt verdi mellom målt og beregnet temperatur- og/eller trykkverdi samt vannfraksjonen større enn et forutbestemt nivå, indikerer vanngjennombrudd.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved a t de trykk og temperaturer som måles, brukes til å regne ut entalpien før og etter trykkfallsanordningen, der differansen mellom entalpien før og etter trykkfallsanordningen beregnes ved forskjellige vannfraksjons-verdier, idet det konkluderes med at det har oppstått vanngjennombrudd dersom differansen mellom entalpien er mindre enn et forutbestemt nivå, samt at vannfraksjonen er større enn et forutbestemt nivå.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det injiseres en kjent mengde alkohol (5) med kjent temperatur inn i brønnproduksjonen, idet endringen i temperatur i blandingen av brønnproduksjon og injisert alkohol, sammen med en målt brønnproduksjons-temperatur før injisering av alkohol samt den kjente vannfraksjonen, anvendes for å beregne en vannrate i brønnen.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at den blir utført on-line.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at den blir utført i sanntid.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at injeksjonsraten av inhibitor (hydrat-, og/eller scale- og/eller korrosjons-inhibitor) korrigeres for å oppnå anbefalt(e) konsentra-sjoner) av inhibitor(er) i vannfasen.

7. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 2 - 5, karakterisert ved at produksjonen fra en brønn strupes tilbake for å redusere den kvantifiserte vannproduksjonsmengde, slik at det ved maksimal(e) in-jeksjonsrate(r) av inhibitorer) oppnås anbefalt(e) konsentrasjon(er) inhibitor(er) i vannfasen.

8. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at produksjonen fra en brønn strupes tilbake for å redusere den kvantifiserte vannproduksjonsmengde ned til den maksimale vannbehandlingskapasitet i mottaksprosessanlegget.

9. Datamaskinprogramprodukt som omfatter datamaskinkodeorgan og/eller software, karakterisert ved at det får en prosessor til å utføre de trinn som er angitt i ett av kravene 1-7.

10. Datamaskinprogramprodukt ifølge krav 9, karakterisert ved at det arbeider via et nett, så som internett.

11. Datamaskinlesbart medium, karakterisert ved at det omfatter et datamaskinprogramprodukt ifølge krav 9 eller 10.

12. Datamaskinprogram ifølge krav 11, karakterisert ved at det arbeider via et nett, så som internett.

13. Anvendelse av en fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1 - 8 for å detektere vanngjennombrudd i en prosess for olje- og/eller gassproduksjon.