NO324451B1 - Fremgangsmate for bestemmelse av trykkprofiler i bronner, produksjonsledninger og rorledninger, samt anvendelse av fremgangsmaten - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for bestemmelse av trykkprofiler i brønner, produksjonsledninger og rørledninger, samt anvendelse av fremgangsmåten

Foreliggende oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for bestemmelse av trykkprofiler i brønner og rørledninger hvor det strømmer enfase og flerfase fluider samt flere anvendelser av fremgangsmåten.

Bakgrunn

Hydrokarbonfluider blir produsert i brønner boret i reservoarer både offshore og på land. Brønnene varierer i dybde og lengde fra noen hundre meter til flere kilometer. Forskjellige brønnkompletteringer blir brukt for de forskjellige situasjonene som finnes i offshore og landbaserte hydrokarbonreservoarer. Kompleksiteten av brønnkomplettering har økt over tiden etter hvert som nye og mer økonomiske metoder er blitt funnet til å produsere olje- og gassreservoarer. Samtidig har etterspørselen etter brønnmonitorering økt, inklusiv fluidstrømning, brønntilstand og kompletteringsintegritet.

Den tradisjonelle metoden for å måle nedihulls strømningsforhold er å bruke et produksjonsloggeverktøy (PLT), som presentert av Hill (Hill, A.D. (1990): Production Logging - Theoretical and Interpretive Elements, Society of Petroleum Engineers, Monograph, Volume 14, 154 pp.). Slike verktøy blir primært brukt til å måle nedihulls trykk, temperatur og fluidhastighet. Andre egenskaper kan også bli målt med PLT'er, avhengig av hvilke spesifikke strømningsforhold og problem som skal undersøkes. Fluidhastigheten blir normalt målt av en spinner, som presentert av Kleppan, T. og Gudmundsson, J.S. (1991): Spinner Logging of a Single Perforation, Proe, Ist Lerkendal Petroleum Engineering Workshop, Norwegian Institute of Technology, Trondheim, 69-82.

I de siste årene har det blitt mer vanlig å installere permanente trykk- og temperaturmålere.

Unneland og Haugland (Unneland, T. and Haugland, T. (1994): Permanent Downhole Gauges Used in Reservoir Management of Complex North Sea Oil Fields, SPE Production and Facilities, August, 195-201) har estimert tilbakebetalings-perioden for en måleinstallasjon i et felt hvor produksjonene er begrenset av brønnkapasitet. Analysen viser at bruken av en PLT trenger typisk 28 timer nedstengning, inkludert av nedstengning av nabobrønner av sikkerhetsgrunner. I og med at individuelle brønnrater varierer mellom 500 og 5000 kubikkmeter per dag (3000 til 30.000 fat per dag), representerer dette en betydelig produksjonsutsettelse. Kostnadene av den utsatte produksjon avhenger av flere parameter. De viktigste parametrene har det til felles at kostnadene er høyest tidlig i brønnens liv når informasjon er viktigst.

Antatt en gjennomsnittlig oljepris på 20 dollar per fat, vil den utsatte produksjonskostnaden for det ovennevnte eksemplet ligge i området 70.000 til 700.000 US dollar. Kostnaden ved å kjøre en PLT på en offshore plattform vil typisk ligge i området 100.000 US dollar. Kostnaden ved å installer en permanent trykkmåler vil være 180.000 US dollar. Unneland og Haugland (1993) konkluderte at den gjennomsnittlige tilbakebetalings-perioden for en permanent måleinstallasjon er mindre enn ett år.

Permanente nedihullsmålere måler trykket på en bestemt dybde. De blir typisk installert rett ovenfor det perforerte intervallet i olje- og gassbrønner. Trykkmålinger fra permanente installerte nedihullsmålere blir brukt til å overvåke trykkoppførsel med tid i produksjonsbrønner; for eksempel, for trykktransientanalyser. Gitt at fluidsstrømningsmålinger også er tilgjengelige, kan trykkmålinger bli brukt til å overvåke brønnoppførsel over tid.

En viktig begrensning for permanente trykkmålere er at de er permanent lokalisert på en bestemt dybde. Det betyr at permanente nedihullsmålere kan ikke bli brukt til å måle trykkprofilen med dybde i olje- og gassbrønner. Derimot kan en PLT bli brukt til å måle trykkprofilen med dybde i både stengte og strømmende brønner. Kostnaden av å kjøre en PLT i en typisk offshore brønn i Nordsjøen ble ovenfor anslått til 70.000-700.000 US dollar i utsatt produksjon og omtrent 100.000 US dollar i direkte utgifter. Videre, når en kjører en PLT i en strømmende brønn ville den brønnen normalt bli ledet gjennom testseparatoren. Det betyr at tilgjengeligheten til testseparatoren for rutine produksjonstesting blir redusert.

Flerfasemåleteknologi for offshore og landbaserte oljeproduksjon har utviklet seg raskt i de siste årene og tiårene, som det klart fremgår fra de mange konferansene på emnet, inkludert North Sea Metering Conference, holdt alternerende i Norge og Skottland. BHR Groups konferanse på flerfaseproduksjon i Cannes, er et annet eksempel på viktigheten av gass-væske strømning i hydrokarbonproduksjon og -prosessering. Flerfasemåling er også godt representert på mange konferanser holdt av Society of Petroleum Engineers. Noen av de grunnleggende og praktiske aspektene ved flerfasestrømning i petroleumsproduksjons-operasjoner, er presentert av King (King, N.W. (1990): Multi- Phase Flow in Pipeline Systems, National Engineering Laboratory, HMSO, London).

Flerfase målemetoder basert på utbredelse av trykkpulser i gass/ væske medium har vært patentert av Gudmundsson (Norsk patent nr. 174643 og 300437). Den første av disse er basert på generering av en trykkpuls med en gasskanon og å måle trykkpulsen oppstrøms og nedstrøms i nærheten av kanonen og i en større avstand. Den andre av disse er basert på generering av en trykkpuls med rask lukking av en ventil, og så å måle trykkpulsen oppstrøms i nærheten av ventilen og i en større avstand, idet trykkpuls kan også bli målt oppstrøms i nærheten av ventilen og nedstrøms i nærheten av ventilen og i en større avstand. Andre trykkpuls målepunkter kan bli brukt avhengig av målebehov og systemkonfigurasjon.

Et produksjonsloggeverktøy (PLT) blir ofte brukt i strømmende olje- og gassbrønner til å undersøke brønntilstand, spesielt problemer som oppstår i produserende brønner. Slike problemer inkluderer produksjonsrør- og/eller foringsrørsvikt (failure) og utfelling av faststoff i brønner. En kaliper-logg kan bli inkludert i PLT-strengen eller kjørt uavhengig. PLT'er blir også brukt til å undersøk hvilke gassløftventiler som er operasjonelle og om perforeringer i en gruspakket brønn er blokkert. Begrepet trykksurvey blir noen gang brukt av operatører til å beskrive måling av trykk med dybde i olje- og gassbrønner.

Operatørene av olje- og gassbrønner er motvillige til å sette verktøy ned i brønnen, på grunn av den involverte risikoen. Verktøy setter seg noen gang faste i brønnen, noe som resulterer i større problemer enn operatørene ønsket å studere. Overhaling (workover) er et begrep i oljeindustrien når brønner blir reparert. Avhengig av hvilke problem som skal repareres, blir PLT'er ofte brukt forut for slike operasjoner.

Prinsippene bak en trykksurvey i en brønn kan også implementeres for produksjonsledninger og rørledninger. Slike trykksurveyer/målinger kan bli brukt til å oppdage produksjonsledning/ rørledningssvikt og lokalisering og størrelse av utfellinger som hydrater, voks, asfaltener og sand. Problemene skapt av faststoff utfellinger i hydrokarbon produksjon og prosessering, har vært tema for flere konferanser, inkludert Controlling Hydrates, Waxes andAsphaltenes i Oslo, desember 7-8, 1998 (IBC UK Conferences Limited). Oppdagelsen av produksjonsledning/ rørledningssvikt inkluderer lekkasjedeteksjon. Trykksurvey/ målinger kan bli brukt til å lokalisere og kvantifisere oppførselen av strømningsutstyr brukt i oljeproduksjon og -prosessering.

Et større problem ved å utføre trykksurveyer i gass-væske produksjons- og rørledninger, er at det er vanskelig å gjøre kontinuerlige målinger langs hele strømningslinjen. Rørlednings trykkmålinger blir i stedet vanligvis gjort på spesifikke punkter. På grunn av det begrensede antall av diskrete trykkpunkter, er gjennomførbare trykkmålinger vanligvis ikke brukbare til å oppdage og overvåke utfellinger og lekkasjer. Uten tvil så er diskrete målinger vanskeligere i subsea rørledninger enn i rørledninger på land. Det eneste unntaket er bruken av lydbølger i enfase strømnings-rørledninger til å oppdage og lokalisere lekkasjer.

Formål

Hovedformålet med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en fremgangsmåte til å bestemme trykkprofilen i brønner, produksjonsledninger og rørledninger hvor det strømmer enfase og flerfase fluider i petroleumsindustrien og i relaterte industrier.

Et annet formål er å fremskaffe en slik fremgangsmåte som ikke behøver dyrt utstyr og ikke involverer verktøy som har potensiell risiko for å sette seg fast når det er satt inn i en brønn, produksjonsledning eller rørledning.

Et annet formal er å fremskaffe en fremgangsmåte for å bestemme trykkprofilen med det formål å kunne oppdage og lokalisere problemområder som kollapser, utfellinger, lekkasjer og lignende i brønner, produksjonsledninger og rørledninger.

Disse og andre formål er oppfylt av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for a bestemme trykkprofiler i brønner, produksjonsledninger og rørledninger, som definert av den karakteriserende del av patentkrav 1.

Foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige patentkrav.

Videre angår oppfinnelsen anvendelse av nevnte fremgangsmåte for ulike formål som angitt i patentkravene 6 til 12.

Matematisk grunnlag for oppfinnelsen

Oppfinnelsen kan bli sett som en fortsettelse av de tidligere oppfinnelser av Gudmundsson (Norske patenter nr. 174643 og 300437). De tidligere oppfinnelsene er grunnet på utbredelse av trykk bølger/pulser i gass/ væske blandinger. Spesielt når en hurtigvirkende ventil lokalisert nær brønnhodet på en offshore produksjonsbrønn blir aktivisert, blir en trykkbølge/trykkpuls generert. Trykkpulsen vil bre seg både oppstrøms og nedstrøms av den hurtigvirkende ventilen. Størrelsen på trykkpulsen blir bestemt av trykkstøt-ligningen, også kalt Joukowski-ligningen.

hvor p (kg/m<3>) representerer fluid tetthet, u (m/s) representerer fluidstrømnings-hastighet og a (m/s) representerer lydhastigheten i fluidet. Lydhastigheten i fluidet er ekvivalent med utbredelseshastigheten for trykkpulsen, og ligning 1 representerer således en foretrukket metode for å estimere lydhastigheten ved foreliggende oppfinnelse.

Størrelsen på trykkpulsen som blir generert av en hurtigvirkende ventil, kan bli målt umiddelbart av en oppstrøms trykkmåler. I produksjonssystemer hvor rørene oppstrøms og nedstrøms (brønn, produksjonsledning, rørledning) er lange nok, vil trykkøkningen umiddelbart oppstrøms av den hurtigvirkende ventilen være den samme som den gitt av trykkstøt ligningen.

En trykkpuls som brer seg inn i en olje- og gassproduserende brønn vil stanse strømningen. Trykkpulsen vil bre seg i brønnen med lyd hastigheten til brønnfluidet. Derfor vil oljen og gassen slutte å strømme etter hvert som trykkpulsen utbres i brønnen. I prinsippet vil all strøm i brønnen bli redusert til null når trykkpulsen når bunnen av brønnen.

Når strømningen stanses vil trykktapet som stammer fra veggfriksjon bli gjort tilgjengelig. Det betyr at trykktap som følge av strømning i brønnen, vil bli frigjort. Dette friksjonsbaserte trykktapet vil propagere kontinuerlig til brønnhodet og kan bli målt og blir ofte kalt linjepakk.

Friksjonsbasert trykktap i rør (brønn, produksjonsledninger, rørledninger) blir styrt av Darcy-Weisbach ligningen

hvor f (dimensjonsløs) er friksjonsfaktoren, AL (m) er rørlengde, d (m) rørdiameter, p (kg/m<3>) fluidtetthet og u (m/s) fluidhastighet. Darcy-Weisbach ligningen som vist her, holder for enfase laminær og turbulent strømning. I prinsippet kan ligningen bli utvidet for flerfase strømning. Det finnes mange slike utvidelser presentert i mange bøker om flerfase strømning (G. Wallis, One-Dimensional Two- Phase Flow, McGraw-Hill, 1969, and P.B. Whalley, Boiling, Condensation and Gas- Liquid Flow, Oxford University Press, New York, 1987).

Darcy-Weisbach ligningen kan bli utrykt med henhold til trykkgradienten

Friksjonsfaktoren i enfase og flerfase kan bli funnet fra semi-empiriske forhold som Blasius ligningen hvor Re er Reynolds tallet som er gitt ved

Blasius ligningen er brukt hvor strømningen er hydrodynamisk glatt. Hvis strømningen er påvirket av ruhet, kan Colebrook-White ligningen brukes

hvor ks er sand ruhet.

Tettheten av en gass/ væske blanding er gitt av forholdet

hvor a (dimensjonsløs) er volumfraksjonen av gass og underskriftene står for henholdsvis M (blanding), G (gass) og L (væske). I hydrokarbon produksjon vil væskefasen bestå av olje og vann. Lydhastighet (akustisk hastighet) i homogene gass/ væske blandinger aM er gitt ved den tradisjonelle Wood ligningen, her uttrykt som hvor

Merk at aG og aL er lydhastighet for henholdsvis gass og væske. Dong og Gudmundsson (Dong, L. and Gudmundsson, J. S. (1993): Modell for Sound Speed in Multiphase Mixtures, Proe. 3rd Lerkendal Petroleum Engineering Workshop, Norwegian Institute of Technology, Trondheim, 19-30) utledet en lignende ligning for hydrokarbon-fluider.

De ovennevnte ligningene viser at strømningen i landbaserte og offshore brønner, produksjonsledninger og rørledninger er avhengig av mange faktorer. Andre faktorer inkluderer trykk-, volum- og temperaturegenskaper for fluidblandingene involvert. Det er mulig å illustrere oppfinnelsen ved å anta at noen av de ovennevnte faktorene er konstant. Senere, i praktiske situasjoner, vil slike antagelser ikke bli gjort og de forskjellige virkninger kan da bli tatt i betraktning.

Detaljert beskrivelse med referanse til figurer

I det følgende beskrives den foreliggende oppfinnelse nærmere med referanse til vedlagte figurer, hvor:

Figur 1 -6 viser trykkendringer som funksjon av tid for et antall teoretiske strømningssituasjoner, Figur 7 viser variasjonen i lydhastigheten som funksjon av dybde i en brønn (praktisk måling), Figur 8 viser trykkvariasjon som funksjon av tid ved bruk av den foreliggende oppfinnelse på data fra brønnen vist i Figur 7, Figur 9 er et plot av korrelasjonen mellom pulsrefleksjoner og dybde for det samme tilfelle som er vist i Figur 7 og 8, Figur 10 er en illustrasjon av voks-avsetning i en viss del av en brønn, strømningsrør eller rørledning, og Figur 11 viser trykkrespons som funksjon av tid som følge av belegg i brønn, strømningsrør eller rørledning som vist i figur 10 og målt i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Hvis vi forutsetter enfase strømning i brønnen, forutsetter en konstant rørdiameter, forutsetter en konstant friksjonsfaktor, forutsetter en konstant strømningsrate, forutsetter en konstant in-situ lydhastighet og en konstant viskositet for fluidet i røret, så vil linjepakkingen som måles på brønnhodet etter at den hurtiglukkende ventilen er helt stengt, øke lineært med tid. Videre, hvis vi forutsetter at ventilen lukker instantant, vil trykkøkningen registrert på brønnhodet bli som illustrert i Figur 1. For et hvert punkt A vil det målte trykket representere linjepakkingen en avstand AL oppstrøms (inn i brønnen eller rørledningen).

hvor At (s) er tid. Faktoren 0,5 benyttes fordi trykkpulsen først må gå til punkt A, deretter tilbake til brønnhodet. Ligning 11 benyttes således ved foreliggende oppfinnelse sammen med tidsloggen fra ligning 2 til å tilveiebringe en avstandslogg for trykkendingene.

Forutsetningen om konstant rørdiameter modifiseres for å illustrere en situasjon hvor rørdiameteren er mindre under et gitt dyp, det vil si en brå og signifikant steg-endring i indre diameter på røret. Trykkøkningen på brønnhodet som funksjon av tid for en slik situasjon målt i henhold til foreliggende oppfinnelse, er vist i figur 2. Punktet B representerer avstanden fra brønnhodet til diameterendringen. En del av trykkbølgen/pulsen reflekteres fra diameterovergangen tilbake til brønnhodet, noe som gir en steg-økning i trykket, og en del av trykkbølgen/pulsen fortsetter videre nedover brønnen/inn i rørledningen. På grunn av at diameteren er mindre nedenfor punkt B enn ovenfor, vil friksjonsgradienten være høyere.

Forutsetningen om konstant rørdiameter kan endres for å illustrere en situasjon hvor man har mindre diameter i et definert intervall av brønnen eller rørledningen. Indre diameter på røret endres brått og signifikant og forblir endret over en gitt lengde inntil den øker like brått tilbake til opprinnelig diameter. Trykkøkning på brønnhodet som funksjon av tid for en slik situasjon, er vist i figur 3. Punktet C representerer avstanden fra brønnhodet til reduksjonen i diameteren, mens punkt D representerer avstanden fra brønnhodet til det punkt hvor diameteren kommer tilbake til den opprinnelige. En slik endring i diameteren kan skyldes kollaps av røret, eller oppbygging av belegg i den aktuelle rørdelen.

Forutsetningen om konstant friksjonsfaktor kan modifiseres for å illustrere den situasjon hvor friksjonsfaktoren øker over et gitt intervall. En økt friksjonsfaktor vil resultere i en tilsvarende effekt som en reduksjon i diameteren, som illustrert i figur 4. Punktet E representerer avstanden fra brønnhodet til det punkt der rørfriksjonen øker, mens punktet F representerer avstanden fra brønnhodet til det punkt hvor rørfriksjonen reduseres til opprinnelig nivå. Der påpekes at beleggdannelse over et gitt intervall som oftest er assosiert med både reduksjon i rørdiameter og økning i friksjonsfaktoren.

Forutsetningen om konstant strømningshastighet kan bli modifisert for å illustrere effekten av

endret innstrømning til brønnen på et gitt dyp.. Trylckøkningen på brønnhodet for et slikt tilfelle er illustrert i figur 5. Punktet G representere avstanden fra brønnhode til det dyp hvor innstrømningen skjer. Under punkt G er strømningshastigheten lavere enn ovenfor punkt G. Olje- og gassbrønner er i mange tilfeller komplettert med mer enn en perforert innstømningssone, og i noen tilfeller med ett eller flere sidesteg eller flere sidegrener. Fluid som strømmer inn i en brønn fra slike soner eller sidegrener, vil øke den totale stømningsraten i brønnen og påvirke trykkprofilen.

Forutsetningen om en-fase strømning og forutsetningen om konstant lydhastighet, kan sammen modifiseres for å illustrere effekten av flerfasestrøm i brønnen eller rørledningen. Viskositeten vil også endres, men denne effekten vil ikke bli diskutert videre. Trykkøkning på brønnhodet som funksjon av tid for en slik situasjon, er illustrert i figur 6. Punktet H representerer avstanden fra brønnhodet til det dyp hvor fluidet går over fra enfase væske under, til flerfase strøm over. Dette er det brønndyp hvor trykket korresponderer med boblepunktet for hydrokarbon-fluidet. Avhengig av den aktuelle situasjonen vil linjepakkingstrykket enten være lineært eller ikke lineært fra brønnhodet ned til punkt H. Ikke-lineære effekter oppstår som følge av egenskapene til gass-væskeblandinger og flerfase strømning. I figur 6 er linjepakkingstrykket under punkt H lineært, noe som indikerer enkeltfase strømning og konstant rørdiameter.

I figur 5 har strømningsraten av væskeformet hydrokarbon endret seg ved punkt G, og i figur 6 har strømningen endret seg fra enfase til flerfase ved punkt H. I gassløftede brønner vil to situasjoner kunne oppstå. Først, en situasjon hvor gassen strømmer inn i brønnen (gjennom en gassløft-ventil) på et punkt hvor enkeltfase væskestrøm kommer nedenfra, og hvor en flerfase gass/ væskestrøm fortsetter fra punktet og oppover mot brønnhodet.. Dernest, en situasjon hvor gassen strømmer inn i brønnen (gjennom en gassløft-ventil) på et punkt hvor en flerfase gass/ væskestrøm kommer nedenfra, og hvor en flerfase gass/ væskestrøm fortsetter fra punktet og oppover mot brønnhodet. Begge disse tilfeller kan illustreres med figurer tilsvarende Figur 5 og 6. Trykk survey i brønner kan benyttes for å finne ut om gassløftventilene opererer korrekt.

Figurene 1-6 illustrerer økningen i vannhammer-trykk som følge av at en hurtiglukkende ventil blir stengt i henhold til foreliggende oppfinnelse, og den gradvise økningen i linjepakkingstrykk som funksjon av tid. Figurene illustrerer forenklede situasjoner, og punktene A-H representerer for hver situasjon en gitt avstand AL fra brønnhodet. For å beregne distansen i hvert enkelt tilfelle, må strømningsligninger og fluidegenskaper være kjent. I enfase strømning av fluider med konstante trykk-volum-temperatur egenskaper (PVT), vil beregningen være enkel og eksplisitt. I flerfasestrømning med variable PVT egenskaper, vil beregningene imidlertid være mer komplekse. De følgende trinn beskriver hvordan avstanden AL kan bli beregnet for den situasjonen som er beskrevet i Figur 6, hvor punktet H beskriver avstanden fra brønnhodet til boblepunktet i brønnen:

1. En trykkpuls-test blir gjennomført og masseraten for gass/væskeblandingen beregnes fra vannhammer-ligningen, og brønnhodetemperaturen registreres. 2. Trykk-volum-temperatur (PVT) egenskapene til fluidet forutsettes kjent fra standard praksis i oljeindustrien, basert på målinger eller etablerte korrelasjoner. 3. En etablert brønnstrømsimulator benyttes til å beregne en trykk og temperaturprofil fra brønnen nedover mot bunnen, inkludert fluidtetthet og gassfraksjon. 4. Lydhastigheten i det strømmende fluidet beregnes stegvis fra brønnhodet nedover i brønnen, basert på fundamentale ligninger og resultatene fra brønnstrømssimuleringen. 5. Tidsskalen i Figur 6 konverteres til avstand ved å benytte relasjonen gitt av lign. (11)

Beregningene beskrevet ovenfor kan utføres ved å benytte data og modeller som strekker seg fra det enkle til det mer omfattende. Jo større nøyaktighet i data og jo større nøyaktighet i beregninger, jo nøyaktigere vil resultatet bli. Nøyaktigheten kan også økes ved å benytte tilleggsdata og annen informasjon. For eksempel kan trykkmålinger fra en nedihulls trykkmåler tilpasses til datasettet. Kjente lokasjoner for endringer i brønndiameter og andre egenskaper ved brønnkompletteringen kan brukes som kalibreringspunkter mot signalet som måles på brønnhodet. På samme måte kan temperaturmålinger benyttes til å øke nøyaktigheten av trykkprofiler i brønnen, enten punktmålinger eller distribuerte målinger.

Distribuerte temperaturmålinger kan gjennomføres ved å benytte fiberoptisk teknologi. Slike målinger kan enten gjøres innenfor eller utenfor selve produksjonsrøret og kan settes opp for å gi temperaturen ved bestemte intervall fra brønnhodet til bunnen av brønnen. Distribuert temperaturmåling er følsom for oppstart og nedstengingssituasjoner i brønner. Temperaturprofilen for en brønn som har produsert stabilt over en tid, vil bli mere stabil. (E Ivarrud (1995): Temperature Calculations in Oil Wells, Rapport, Institutt for petroleumsteknologi og anvendt geofysikk, NTNU, Trondheim). Distribuerte temperaturmålinger som gjøres utenfor produksjonsrøret, trenger lengre tid for å respondere på endringer inne i produksjonsrøret enn direkte målinger (distribuert temperaturprofil inne i produksjonsrøret).

Kombinasjonen av trykkpulsmåling av strømningsrate, en måling av trykkprofil etter foreliggende oppfinnelse og en distribuert temperaturmåling, gir samme informasjon som å kjøre en produksjonslogg (PLT).

Eksempler

Praktiske trykkpulsmålinger er utført i flerfase brønner i Nordsjøen på Oseberg og Gullfaks A og B plattformene. Målingene har vist at teoriene uttrykt ved Joukowsky-ligningen (vannhammer), Darcy-Weisbach ligningen (linjepakking) og Wood ligningen (trykk-forplantning) kan benyttes også under praktiske/operative forhold.

Offshore målingene har vist at linjepakking målt ved brønnhodet inneholder mer informasjon enn rate for massestrøm og blandingstetthet, som patentert av Gudmundsson (Norske patenter nr 174 643 og 300 347). Den tilleggsinformasjon som finnes i linjepakkingsignalene inkluderer effektene som er illustrert i Figurene 2-6, og andre interessante effekter knyttet til overvåking og logging av olje- og gassbrønner.

To tilfeller av linjepakking er studert for å illustrere foreliggende oppfinnelse. Modeller som er utviklet og testet for operasjoner innen petroleumsproduksjon, ble brukt for å beregne linjepakkingstrykket i de to situasjonene.

Eksempel 1

Det første tilfellet gjelder en oljebrønn som produserer under betingelser som er typisk for Nordsjøen, med en overgang fra enfase til flerfase som vist skjematisk i Figur 6. Vannhammeren og linjepakkingen for en offshore produksjonsbrønn ble beregnet under forutsetninger om følgende betingelser:

Brønnhodetrykk, 90 bar

Total strømningsrate (blandingsrate), 2600 Sm3/dag (25,58 kg/s)

Blandingstetthet, 850 kg/m3

Blandingens hastighet ved brønnhodet, 1,8 m/s

Lydhastighet i blandingen ved brønnhodet, 350 m/s

Vannhammer ved brønnhodet, 5,36 bar

Total brønnlengde, 4500 m

Brønnens (strømningsrørets) indre diameter, 0,127 m

Friksjonsfaktor, 0,020

Basert på resultatene fra en "steady-state" brønnstrømsimulator og Wood ligning, ble lydhastighetsprofilen fra brønnhodet til bunnen av brønnen beregnet. Lydhastighetsprofilen er vist i figur 7, økende fra 350 m/s ved brønnhodet til 730 m/s ved 1820 meters dyp, svarende til boblepunktstrykket. Basert på resultatene fra en transient trykkpulssimulator ble vannhammer og linjepakking beregnet og plottet i figur 8. Brønnen var vertikal til 2000 meters dyp, og avvikende (til horisontal) til 2650 meters dyp med en total lengde på 4500 m.

I figur 8 er brønnhodetrykket på 90 bar vist fra tid = 0 til omlag 2,5 sekunder. Da stenges hurtigstengningsventilen i løpet av 0,5 sekunder, og et vannhammer-trykk på 95,36 bar avleses. Deretter øker linjepakkingen gradvis og senere raskere inntil den, etter omlag 6,5 sekunder, når flerfase-punktet på et dyp som gir et brønntrykk tilsvarende boblepunktet. Ved større dyp øker linjepakkingen lineært med tid, noe som indikerer enkeltfase strømning i en brønn med konstant indre diameter.

Linjepakkingstrykket i figur 8 kan relateres til brønndyp gjennom modellering. Forholdet mellom brønndybde og tid er vist i figur 9. Det er derfor mulig, ved hjelp av trykkpulsmålinger ved brønnhodet, å beregne trykkprofilen som funksjon av dybden. Trykkpulsmålinger ved brønnhodet gir linjetrykksøkningen som funksjon av tiden, modellen gir trykkprofilen for brønnen.

Eksempel 2

Det andre eksemplet gjelder et horisontalt stømningsrør/ rørledning hvor det strømmer en flerfase gass/olj eblanding, og hvor det er avleiret et belegg av faste stoffer i et gitt intervall. Vannhammer og linjepakking ble beregnet for det horisontale strømningsrøret med en flerfase gass/ væske-strømning, med avleiringer av faste stoffer i et gitt intervall. Følgende betingelser ble forutsatt:

Strømningsrørets/ rørledningens lengde, 2 km

Indre diameter, 0,1024 m

Oljetetthet, 850 kg/s

Spesifikk vekt av gass, 0,8

Gjennomsnittlig lydhastighet i blandingen, 250 m/s

Innløpstrykk til strømningsrøret/ rørledningen, 35 bar

Friksjonsfaktor, 0,023

Gjennomsnittlig temperatur, 40 °C

Gass-oljeforhold, 400 scf/STB

Total strømningsrate, 8 kg/s

Strømningsrøret/rørledningen med belegg av faste stoffer brukt i beregningen, er vist i figur 10. Strømningen er fra venstre mot høyre, utløpstrykket ble beregnet til 30 bar basert på en flerfase gass-væskestrøm. Den hurtigstengende ventilen er plassert på lavtrykkssiden nedstrøms rørledningen, og vi antar at det tar 1 sekund å stenge den. Hurtigstengende hydraulisk opererte ventiler kan stenges på omlag et tiendedels sekund. De fleste manuelt opererte ventiler i petroleumsoperasjoner kan stenges i løpet av et par sekunder, men selve trykkresponsen kommer ofte etter at ca 80% av den mekaniske bevegelsen i ventilen er gjennomført.

Belegget av fast stoff i figur 10 begynner et stykke fra den hurtigstengende ventilen. Tykkelsen på belegget øker jevnt de første 100 meter (diameteren reduseres fra 10,24 cm til 9,84 cm), er så konstant i de neste 300 m (diameter 9,84 cm), og reduseres så jevnt de siste 100 m (diameter økes fra 9,84 til 10,24 cm). Trykkpulsen forplanter seg fra den hurtigstengende ventilen oppstrøms langs strømningsrøret/ rørledningen.

Vannhammeren og linjepakkingen som er beregnet for dette strømningsrøret/ rørledningen er vist i figur 11 for den forutsatte strømningsrate på 8 kg/s. Den første trykkøkningen fra 30 til 32,5 bar er vannhammertrykket, og den gradvise økningen deretter er linjepakkingen. Erfaringer fra Oseberg og Gullfaks A og B plattformene viser at vannhammeren og linjepakkingen enkelt kan måles med standard kommersielle trykkmålere.

Beregningene vist i Figur 11 ble gjort for belegg som var lokalisert 500 - 1000 meter oppstrøms av den hurtigstengende ventilen. Vannhammeren og linjepakkingen er plottet i Figur 11 sammen med linjepakkingen for et rent strømningsrør/ en rørledning uten belegg. Figuren viser hvordan en 500 m lang seksjon med belegg påvirker linjepakkingstrykket i et 2 km langt strømningsrør/ rørledning.

Analyser av linjepakkingstrykket som vist i figur 11 gjør det mulig å lokalisere belegget av fast stoff, samt beregne tykkelsen og lengden av belegget. Slike målinger vil inkludere måling av strømningsrate ved den patenterte trykkpulsmetoden til Gudmundsson (Norsk patent nr 300 437).

Kort oppsummert gir fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse en effektiv metode for å måle trykkprofilen i en brønn som produsere en flerfaseblanding av gas og væske, og i brønner som produserer enfase væske eller enfase gass. Den er også effektiv for å måle trykkprofiler i strømningsrør (de rør som binder sammen brønner og havbunnsbaserte brønnrammer og fører olje-gasstrømmen videre til plattformen, eller som fører olje-gasstrømmen fra brønnhode til prosessering osv) og rørledninger (lengre transportledninger).

Fremgangsmåten kan brukes til å detektere og overvåke strømningsrelaterte egenskaper i brønner/ strømningsrør/ rørledninger, så som endringer i effektiv strømningsdiameter, endring i friksjon, strømningsrate og fluidsammensetning. Slike endringer kan benyttes til å analysere strømningsforholdene i brønner/strømningsrør/rørledninger.

Fremgangsmåten kan kombineres med distribuerte temperaturmålinger for å få samtidige trykk og temperaturprofiler i brønner, noe som kombinert med trykkpuls ratemåling gir informasjon tilsvarende konvensjonell produksjonslogging.

Det mest komplette datasett oppnår man ved målinger under og etter en fullstendig stenging av ventilen, men betydelig informasjon vil være tilgjengelig også når ventilen bare stenges delvis, noe som er enklere å håndtere i en produksjonssituasjon.

Mens foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen er blitt beskrevet i eksemplene og med henvisning til figurene, er det klart for fagfolk på området av det også finnes andre varianter. Oppfinnelsen er således ikke begrenset til de beskrevne utførelsesformer, og modifikasjoner kan gjøres innen rammen av oppfinnelsen slik denne er definert av de etterfølgende patentkrav.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for bestemmelse av trykkprofiler i brønner, produksjonsledninger og rørledninger i enfase og flerfase fluider, karakterisert ved av at strømmen midlertidig helt eller delvis stenges og at trykket blir kontinuerlig målt ved et punkt en kort avstand oppstrøms av ventilen ved å bruke forholdene kjent fra en Darcy-Weisbach type ligning: hvor f (dimensjonsløs) er friksjonsfaktoren, L (m) rørlengden, d (m) rørdiameter, p (kg/m<3>) fluidtetthet og u (m/s) fluidhastighet, for å bestemme friksjonsbasert trykktap, og dermed finne en tidslogg av trykkforandringene i brønnen, produksjonsledningen og rørledningen som det måles i samt å tilveiebringe en avstandslogg av trykkendringer av tidsloggen ved bruk av formelen:. hvor a er et estimat av lydhastigheten i væsken, for å bestemme sammenhengen mellom tid (At)og avstand (AL)

2. Fremgangsmåte for å bestemme trykkprofiler ifølge patentkrav 1, karakterisert ved å benytte forhold kjent fra en Joukowski type ligning: hvor p (kg/m<3>) representere fluidtetthet, u (m/s) fluidets strømningshastighet og a (m/s) lydhastighet i fluidet.

3. Fremgangsmåte for å bestemme trykkprofiler ifølge patentkrav 2, karakterisert ved at estimeringen av lydhastighet er basert på tiden mellom raske trykkforandringer i tidsloggen påført av utstyr, forandring av strømningsareal eller lignende med kjente posisjoner langs strømningslinjen i brønnen, produksjonsledningen eller rørledningen.

4. Fremgangsmåte for å bestemme trykkpulser ifølge patentkrav 1, karakterisert ved at estimeringen av lydhastighet er basert på måling av og sammenligning mellom tidslogger laget ved to forskjellige posisjoner langs strømningsretningen.

5. Fremgangsmåte som ifølge patentkrav 1 for å lage en kombinert trykk- og temperaturlogg, karakterisert ved at temperaturloggen blir målt ved bruk at optiske fiber eller lignende med dybde i brønnen.

6. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge patentkrav 1 for å oppdage og lokalisere innstrømning i en brønn, en produksjonsledning eller rørledning.

7. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge patentkrav 1 for å finne feil ved strømlinjen, så som kollaps.

8. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge patentkrav 1 for å bestemme den effektive diameter forskjellige steder i en brønn, en produksjonsledning eller en rørledning.

9. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge patentkrav 1 for å oppdage og lokalisere avsetninger så som hydrater, voks, asfaltener eller sand.

10. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge patentkrav 1 for å oppdage og lokalisere feil, så som lekkasjer.

11. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge patentkrav 1 for å oppdage hvilken av flere gassløft-ventiler er operative.

12. Anvendelse av fremgangsmåten ifølge patentkrav 1 for å lokalisere og kvantifisere ytelsen av strømningsutstyr brukt i olje- og/eller gassproduksjon.