NO328615B1 - Fremgangsmate og anordning for gjenvinning av gass fra returboreslam - Google Patents

Description

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Denne oppfinnelse vedrører en fremgangsmsåte og en trykkinneholdende rørkrets for gjenvinning av gass fra boreslam som returnerer fra en brønn hvor det foregår underbalansert boring, rensing av gassen ved å fjerne medført partikulært faststoff og væske, rekomprimering av den rensede gass og reinjisering av denne i brønnen.

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Det har lenge vært boret brønner under bruk av boreslam som det sirkulerende medium. Boreslammet utfører to funksjoner: det tilveiebringer en søyle av tungt fluid som utøver hydrostatisk trykk ved bunnen av brønnboringen for å forhindre inntrengning i borehullet av hydrokarboner under trykk som foreligger i formasjonen det bores i, og det tjener til å føre borekaks opp og ut av borehullet.

Når boreslam benyttes er det en mulighet for at det vil penetrere ut i et porøst og permeabelt hydrokarboninneholdende reservoar når reservoaret åpnes eller bores igjennom. Når dette skjer, kan produktiviteten av brønnen påvirkes i negativ retning. Boreslammet som har penetrert radialt inn i formasjonen vir-ker til å bremse strømmen av hydrokarboner inn i borehullet.

En teknikk som kalles underbalansert boring er blitt utviklet i de senere år for å overvinne dette problem. Dette medfører vanligvis at brønnen kompletteres med foringsrør til toppen av den produktive sone. Når boringen påbegynnes i den produktive sone, gjøres et borefluid (vanligvis vann eller dieselolje) lettere ved tilsetning av gass (vanligvis nitrogen) og benyttes som det sirkulerende medium. Nitrogenet kan innføres ved overflaten i borestrengen, eller det kan innføres ved bunnen av borestrengen gjennom en parasittstreng.

Det materiale som under trykk returnerer fra en brønn som gjennomgår underbalansert boring omfatter vanligvis borefluid, vann, borekaks og gass (inklusi-ve tilført gass). Dersom brønnen penetrerer en formasjon som inneholder hydrokarboner, kan det returnerte materiale også inneholde hydrokarboner i væs ke- og gassform. Materialet under trykk føres inn i en lukket trykkbeholderseparator. I denne separator utskilles gassene som inneholdes i returmaterialet fra borehullet og forlater separatoren sammen med noe medført partikulært faststoff og væske som en toppstrøm. Borefluidet, vannet, de væskeformede hydrokarboner og borekakset utsepareres også i separatoren og gjenvinnes som separate strømmer.

Tidligere er toppgasstrømmen blitt brent eller ventilert.

Vanligvis inneholder toppgasstrømmen tilført gass, vanligvis nitrogen, hydrokarboner (i form av gass eller medført væske), vann (i form av gass eller med-ført væske) og en mindre mengde fine faste partikler.

Da nitrogenornkostningene kan beløpe seg til mellom 20% og 30% av om-kostningene ved boring av en brønn, er det i borefirmaets beste interesse å gjenvinne nitrogenet slik at det kan resirkuleres tilbake i brønnen.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et system for behandling av separatorgasstrømmen slik at den kan resirkuleres tilbake i brønnen.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

Generelt sett involverer oppfinnelsen en fremgangsmåte som definert i krav 1: Ut fra dette vil det ses at et trykkinneholdende system benyttes til å utføre se-parasjonen, rensingen, komprimeringen og reinnføringen i brønnen.

I forbindelse med denne generelle fremgangsmåte er det visse vanskeligheter som må tas hensyn til. Nærmere bestemt: • gassrensekretsen skal benyttes på borestedet og bør således involvere en-kelt, bevegelig og robust utstyr som har et minimum av bevegelige deler; • strømningsmengden av gass i borefluidreturmaterialet kan være stor. Denne gasstrøm kan overbelaste rensekretsen eller overskride borefluidets gassbehov. Det er derfor nødvendig med et kontrollert avbrenningssystem

for ventilering av overskuddsgass; og

strømningsmengden av gass i borefluidreturmaterialet kan være utilstrekkelig til å tilfredsstille rensekretsens behov, med det resultat at gasshastig-heten gjennom rensekretsen kan behøve justering og kreve tilførsel av tilskuddsgass.

Vi har med hell kombinert en sentrifugal, vertikal resirkuleringsseparator, et filter/koaleserer og en sentrifugal rørmontert (in-line) separator i rekkefølge for å rense returgassen fra separatoren. Alle disse bestanddeler er i og for seg kjent og er kommersielt tilgjengelige. Den vertikale resirkuleringsseparator fjerner det meste av væsken fra gasstrømmen slik at væsken ikke vil påvirke de nedstrøms enheter i uheldig grad; filter/koalesereren fjerner medførte fine partikler og koaleserer væskedråpene, og den rørmonterte sentrifugalseparator fjerner de gjenværende spor av væske. Denne rensekrets involverer ingen bevegelige deler i hovedbeholderne. Så vidt vi vet er denne kombinasjon av enheter ikke tidligere laget. Det er et robust system som med hell behandler de varierende strømmer og gir et tilstrekkelig rent produkt som kan brukes som tilførsel til en kompressor. Imidlertid vil det forstås at denne montasje kun foretrekkes som rensekretsen.

Vi har også funnet at når separatorgasstrømmens strømningshastighet er lav, er rensevirkningen i rensekretsen utilstrekkelig.

Under hensyntagen til dette har vi ifølge oppfinnelsen tilveiebragt en trykkinneholdende rørkrets som definert i krav 5.

TEGNINGSBESKRIVELSE

Fig. 1 er et skjematisk riss som viser en krets for utførelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen; Fig. 2 er et perspektivisk bilde av rensekretsen; Fig. 3 er et grunnriss av rensekretsen på fig. 2; Fig. 4 er et snitt som viser en vertikal resirkulerende sentrifugalseparator; og Fig. 5 er et snitt som viser et filter/koaleserer og en sentrifugal rørmontert separator i serie.

BESKRIVELSE AV DEN FORETRUKNE UTFØRELSE

En trykkinneholdende sløyfekrets 1 forbinder borefluidreturutløpet 2 av en brønn 3 som undergår underbalansert boring med brønnens borefluidtilførsels-anordning 4. Tilførselsanordningen 4 omfatter innløp for innføring av lette-regjort borefluid i brønnen.

Kretsen 1 omfatter en trykkbeholderseparator 5 som har et innløp 6 forbundet ved hjelp av en ledning 7 med brønnutløpet 2. Separatoren 5 er beskrevet i US patent nr. 5.415.776 tilhørende søkeren av foreliggende søknad.

Det returnerte borefluid behandles i separatoren 5 for å gi separate strømmer for væske, borekaks og gass.

Gasstrømmen strømmer fra separatoren 5 gjennom et utløp 8 og en ledning 9. Gasstrømmen er vanligvis ved et trykk på 2 ato (30 psig). Gasstrømmen varie-rer i sammensetning, men inkluderer vanligvis tilsatt gass (normalt nitrogen) og små mengder medførte fine partikler og væske.

Separatorgassledningen 9 er forbundet med en fakkelledning 10 som fører til

og er forbundet med et fakkeltårn 11. Ledningen 9 er også forbundet med den oppstrøms ende av en gassrensekrets 13. Den nedstrøms ende av rensekretsen 13 er forbundet ved hjelp av en ledning 14 med innløpet av en kompressor 15. En trykkbeholder 16 som inneholder tilskuddsnitrogen er forbundet ved hjelp av en ledning 17 med ledningen 14. En omløpsledning 18 forbinder ledningen 14 med fakkelledningen 10. Endelig er utløpet av kompressoren 15 forbundet ved hjelp av en ledning 19 med brønnmateanordningen 4.

Mer detaljert omfatter ledningen 9 som fører fra separatorgassutløpet 8 en må-leblendemåler 20 for måling av strømningsmengden av gasstrømmen som pro-duseres av returmaterialseparatoren 5.

Fakkelledningen 10 omfatter en pneumatisk trykkføleventil 21. Borefluidreturmaterialet vil periodisk strømme inn og ut av separatoren 5 med varierende strømningshastigheter og trykk på grunn av pluggstrømtilstander i strømmen fra brønnen 3. Dersom ventilen 21 registrerer at trykket i ledningen 9 er større enn det forventede separatortrykk, vil den åpne på strupende måte for å avlaste trykket og overføre overskuddsgass til fakkeltårnet 11.

En måleblendestrømningsmåler 23 er plassert i fakkelledningen 10 for å registrere gasstrømmen gjennom denne. Tilbakeslagsventiler 24,25 er anbragt i fakkelledningen 10 og i ledningen 9 for å forhindre hhv. tilbakebrenning og tilbakestrømning.

En andre pneumatisk trykkføleventil 30 er plassert i nitrogentilskuddsledningen 17. Dersom trykket i ledningen 9 faller under en forutbestemt verdi (f.eks.

2 ato), vil ventilen 30 åpne for å la tilskuddsgass bli tilført gasstrømmen.

En varmer 31 er anordnet i nitrogentilskuddsledningen 17 for å utligne tempe-raturen av det tilførte nitrogen med gassen i hovedgasstrømmen. En strøm-ningsmåler 32 overvåker strømmen av tilskuddsnitrogen for å registrere den tilførte mengde.

Rensekretsen 13 omfatter en kombinasjon av en vertikal resirkulerende sentrifugalseparator, et filter/koaleserer og en ledningsmontert sentrifugalseparator forbundet i serie. Disse er kommersielt tilgjengelige enheter tilgjengelig fra Porta-Test International Inc., Edmonton, Alberta. Enhetene er vist i snitt på fig. 4 og 5.

Med henvisning til fig. 2 og 3, er gassledningen 9 fra returmaterialseparatoren 5 forbundet med et par vertikale resirkulerende sentrifugalseparatorer 33 ved hjelp av stigerør 50. Hver vertikale separator 33 er understøttet i og tømmer utskilt væske ned i en oppsamlingsbeholder 51. Væske blir periodisk tømt fra oppsamlingsbeholderen 51 gjennom en tømmeledning 52.

Gassen fra hvert stigerør 50 mates tangentialt inn i den vertikale separator 33 som det er forbundet med. Gasstrømmen settes i roterende bevegelse når den føres inn i separatorbeholderkammeret 53, og væske slynges ut mot beholderveggen 54 mens gassen danner en sentral virvel som strømmer ut gjennom virvelfinneren 55. Spor av væske som kryper langs innsiden av virvelfinneren suges gjennom spalten 56 og returneres til kammeret 53 gjennom ledningen 57. Denne ledning 57 ender ved en sentral åpning i en ledeplate 58.

Gasstrømmen fra virvelfinneren 55 i hver av de vertikale separatorer 33 føres gjennom en ledning 100 til et par horisontale filter/koaleserere 34, som hver har et glassfiberfilterelement 59. Faste partikler som inneholdes i gasstrøm-men holdes her tilbake av filterelementet 59, og videre skjer det en viss koale-sering av gjenværende væskedråper. Disse væskedråper passerer gjennom filterelementet sammen med gassen.

Gasstrømmen beveger seg direkte fra hvert filter/koaleserer 34 inn i en ned-strøms rørmontert sentrifugalseparator 35. Her roteres strømmen ved at den strømmer forbi en anordning 60 som har bøyede vinger 61. (Denne anordning betegnes som en "whirly jig".) Gjenværende væske slynges ut og suges ut gjennom en spalte i beholderveggen. Denne væske samles i en oppsamlings-tank 62, som kan tømmes gjennom en ledning 52. Renset gass strømmer fra den ledningsmonterte separator 35 inn i ledningen 14.

Det har vist seg at den rensede gasstrøm som forlater rensekretsen 13 er tilstrekkelig renset til at væskeinnholdet er redusert til størrelsesorden 0,1% og størrelsen av de faste partikler er redusert til størrelsesorden 0,5 mikron, av- hengig av filterspesifikasjonen. Gassen er egnet for komprimering i kompressoren 15.

Ledningen 14 som strekker seg mellom rensekretsen 13 og kompressoren 15 har en duggpunktmåler 40 og en ventil 41. Omløpsledningen 18 er forbundet med ledningen 14 mellom disse to enheter og har en ventil 42. Dersom dugg-punktmåleren 40 måler et fuktighetsinnhold som er større enn en forutbestemt verdi, aktiviserer den lukking av hovedledningsventilen 41 og åpner omløps-ventilen 42 for å la gassen bli avbrent eller ventilert inntil variasjonen er korri-gert.

Kompressoren 15 øker trykket i den rensede gasstrøm til det trykk som er nød-vendig for reinjisering i brønnen. Vanligvis økes trykket til omtrent 140 bar (2000 psig).

Den komprimerte rensede gasstrøm passerer gjennom mateledningen 19 til brønnmateanordningen 4 for gjeninnføring i brønnen 3. Strømningsmengden av strømmen måles av strømningsmåleren 43.

Operasjonsmessig mates borereturmaterialet fra brønnen 3 til returmaterialseparatoren 5, og en strøm av gass som inneholder små mengder væske og faste partikler dannes. Denne gasstrøm strømmer gjennom en av de vertikale resirkulerende sentrifugalseparatorer 33 for å fjerne nesten alt av den medførte væske slik at det nedstrøms filter/koaleserer 34 og den ledningsmonterte sentrifugalseparator 35 ikke blir overbelastet. Den hovedsakelig tørre gasstrøm får deretter faststoffene fjernet ved hjelp av filterelementet i filter/koalesereren 34, og de gjenværende væskedråper koaleseres. Gasstrømmen passerer deretter gjennom den ledningsmonterte sentrifugalseparator 35 for å fjerne spor av væske. Den rensede gass får om nødvendig tilført ytterligere nitrogen. Den rensede gass blir deretter komprimert og returnert til brønnen gjennom anord-ningen 4 som tilført gass i borefluidet.

Trykket i strømmen som forlater returmaterialseparatoren 5 overvåkes. Dersom trykket er for høyt og således også gasstrømningsmengden, blir fakkelledningen åpnet for avbrenning av overskuddsgass. Dersom trykket er for lavt, tilføres tilskuddsnitrogen for å opprettholde strømningsmengden på et ønskelig nivå slik at rensekretsen er effektiv. Som nevnt foreligger det to rekker av enheter 33, 34, 35 slik at den ene kan stenges av dersom strømningsmengden er for lav til å tilfredsstille det laveste strømningsmengdebehov for en rekke.

Oppfinnelsens omfang er angitt i de påfølgende patentkrav.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for rensing av en gasstrøm separert fra en trykksatt borefluid-returstrøm (2) fra en brønn (3) som underkastes underbalansert boring, hvilken gass-strøm inneholder medførte faste partikler og væsker, hvilken fremgangsmåte omfatter: (i) fjerning av væske fra gasstrømmen ved bruk av en resirkulerende separator (33), (ii) fjerning av faste partikler og koalisering av væskedråper fra gasstrømmen ved bruk av et filter/koaliserer (34), og (iii) fjerne residuale spor av væske ved bruk av en ledningsmontert separator (35) for å gi en renset gass brukbar som kompressormatning.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor nevnte trinn med fjerning av væske fra gass-strømmen ved bruk av en resirkulerende separator omfatter fjerning av det meste av væsken fra gasstrømmen ved bruk av en vertikal resirkulerende separator (33).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor det trinn å fjerne residuale rester av væske oppnås ved bruk av en ledningsmontert sentrifugalseparator (35).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, omfattende det ytterligere trinn å komprimere den rensede gass til brønninjeksjonstrykket og resirkulere den til brønnen (3) som tilskuddsgass.

5. Trykkinneholdende rørkrets (1) som kan koples til borefluidutløpet (2) og - innløpet av en brønn (3) som underkastes underbalansert boring, hvilken krets omfatter: (i) en separator (33) for separasjon av væske, faste partikler og gasser fra en trykksatt borefluidreturstrøm fra brønnen (3) for å produsere en gasstrøm som inneholder små mengder medførte faste partikler og væske, (ii) et gassrenseapparat (34, 35) for mottakelse av gasstrømmen fra nevnte separator (33) og for fjerning av medførte faste partikler og væske fra nevnte gasstrøm, (iii) en kompressor (15) for å motta gasstrømmen fra nevnte gassrensings-apparat (34, 35) og for trykksetting av gasstrømmen for tilførsel til nevnte innløp av brønnen (3).

6. Trykkinneholdende rørkrets ifølge krav 5, hvor nevnte gassrenseapparat innbefatter en resirkulerende separator (33).

7. Trykkinneholdende rørkrets ifølge krav 6, hvor nevnte resirkulerende separator er en vertikal resirkulerende separator (33).

8. Trykkinneholdende rørkrets ifølge krav 6, hvor nevnte gassrenseapparat innbefatter et filter/koaliserer (34) for fjerning av medførte faste partikler og for koalisering av væskedråper fra nevnte gasstrøm.

9. Trykkinneholdende rørkrets ifølge krav 8, hvor nevnte gassrenseapparat (34, 35) innbefatter en ledningsmontert sentrifugalseparator (35) for fjerning av residuale spor av væske fra gasstrømmen.