NO329557B1 - Fremgangsmate for a fjerne kondensat fra en naturgass-strom og et bronnkompletteringssystem for produksjon av gass fra en underjordisk formasjon - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å fjerne kondenserbare stoffer fra en strøm av naturgass, og et brønnkompletteringssystem for å produsere gass fra en underjordisk formasjon hvor den nevnte fremgangsmåte er benyttet.

Naturgass, produsert fra en underjordisk eller undersjøisk gassproduserende formasjon (heretter kalt underjordisk formasjon), krever atskillelse av komponenter som normalt er flytende eller som har relativt høy kondenseringstemperatur. Disse komponenter, som er kollektivt henvist til i kravene og beskrivelsen med uttrykket "kondenserbare stoffer", omfatter vann, propan, butan, pentan, propylen, etylen, acetylen og andre stoffer så som karbondioksid, hydrogensulfid, nitrogengass og liknende. Typisk blir gasstrømmen be-handlet, på overflaten, nedstrøms fra et brønnhode som er forbundet med en underjordisk gassproduserende formasjon via et primært brønnhull inneholdende et rør som strekker seg ned i brønnhullet fra brønnhodet.

Dette er ikke særlig kostnadseffektivt, spesielt for multilaterale brønner (dvs. brønnkompletteringssystemer bestående av et antall forgrenede brønnhullsystemer som forbinder reservoaret i en produserende formasjon med et eller flere andre reservoarer), hvor naturgass og/eller de kondenserbare stoffer, eller en del av begge, blir reinjisert fra en formasjon inn i en annen, eller innen formasjonen fra en reservoarsone til en annen. Dette blir gjort, for eksempel, for å stimulere en ny brønn eller for å gjenopplive en eksisterende brønn; eller til å lagre naturgass eller kondenserbare stoffer for senere bruk, osv.

Temperaturer som er effektive til å senke duggpunkter for gasser krever generelt komplisert utstyr og instrumentering, så som avkjølte olje- eller glykolsvampabsorberere. Slike operasjoner er generelt for kompliserte til å plasseres ved brønnhull, så som ved brønnhoder på sjøbunnen, og for kostbare til å plasseres som individuelle brønnhoder i et gassproduserende felt.

Separatorer nede i borehullet for å fjerne vann fra gassen når den blir produsert er kjent, for eksempel fra US-A-5,444,684. Denne innretningen bruker flytende kuler som flyter opp og blokkerer en strømningsbane når vannivået i brønnhullet blir høyt, og så når gasstrykket bygger seg opp og tvinger vannivået ned, tillate produksjon av gass som er fri for flytende vann. Denne innretningen er bare i stand til å holde flytende vann ut av produsert gass. Den er ikke i stand til å fjerne hverken kondenserbare stoffer eller vann fra den produserte gass.

US-A-5,794,697 beskriver også en borehullseparator for å ta gass fra en blanding av væsker og gass produsert i brønnhullet. Dette patentet fokuserer på en brønnhull-kompresjon av gassen og reinjisering av gassen inn i gasskappen over oljen som forblir i formasjonen. En separator er vist og beskrevet som et vribor som tilfører en virvelbevegelse til fluidene, og så fjerning av gassen fra sentrum av virvelen. Denne separatoren senker heller ikke duggpunkttemperaturen for gassen (dvs. fjerner de kondenserbare stoffer), men separerer bare eksisterende faser.

Separasjonsmetoden og treghetsseparatoren ifølge innledningen til krav 1 og 7 er kjent fra internasjonal patentsøknad WO 95/09970. Den kjente separator omfatter en syklon i hvilken produsert vann blir atskilt fra den produserte gass, og vanndamp blir atskilt fra gassen i en separat høytrykksmembran.

Det vil være ønskelig å ha en mer enkel separator for å fjerne kondenserbare stoffer og/eller vann fra en strøm av naturgass oppstrøms fra brønnhullets struper, dvs. før den entrer overflaten eller underjordiske fasiliteter med typisk lavere trykk enn i størrelsesorden 15 MPa (15 MN/m<2>) eller lavere. For det første er det fordi et høyere trykkfall for separasjon fremdeles er tilgjengelig oppstrøms fra brønnhull-struperen, og dermed gjør bedre bruk av tilgjengelig potensiell energi, som ellers blir forbrukt ved brønnhullets struper.

For det annet, fordi når gass strømmer opp gjennom brønnhullet kan den bli avkjølt ved varmeoverføring til mer grunne formasjoner som omgir brønnhullet, eller ved adiabatisk ekspansjon av gassen mens den strømmer opp gjennom brønnen. Når gassen av-kjøles, kan kondenserbare stoffer og/eller vann kondensere fra den tidligere mettede gasstrøm.

Kondenserte væsker i et gassproduserende borehull kan forårsake mange problemer. Den separate væskefase kan øke det statiske trykk betydelig inne i brønnhullet og derfor redusere brønntrykket og/eller gassproduksjonen. Avhengig av den resulterende strømning kan væskene bygges opp inntil bunnen på brønnhullet blir utsatt for betydelige ytterligere væsketrykk. Vann kan også kombineres med hydrokarboner og/eller hydrogensulfid for å danne hydrater i brønnhullet.

Disse hydratene kan plugge brønnen. For å hindre dette, er det vanlig å injisere alkoholer eller glykoler i gassproduserende brønnhull for å hindre plugging med faste hydrater. Denne injeksjonen er forholdsvis kostbar, og resulterer videre i at mer væske blir til stede i brønnhullet. Spill av disse væskene kan innebære spesielle miljømessige bekymringer fordi de er blandbare med vann i naturen.

Flere fremgangsmåter og innretninger eksisterer for å separere komponenter fra gassformige eller andre fluider. Eksempler på konvensjonelle separasjonsanordninger omfatter destillasjonssøyler, filtre og membraner, synketanker, sentrifuger, elektrostatiske utfellere, tørrere, kjølere, sykloner, virvelrørseparatorer og adsorbere.

I tillegg har flere treghetsseparatorer utstyrt med en supersonisk dyse vært beskrevet i teknikken.

JP-A-02,017,921 angår separasjon av en gassformig blanding gjennom bruk av en supersonisk strøm. Innretningen omfatter en virvler plassert oppstrøms fra en supersonisk dyse. Den virvlende fluidstrøm passerer så gjennom en aksielt symmetrisk ekspansjonsdyse for å danne fine partikler. Virvelen blir opprettholdt over en lang aksiell avstand, og skaper et stort trykkfall.

US-A-3,559,373 angår en supersonisk strømningsseparator omfattende et høytrykks gassinnløp, en rektangelformet hals, og en U-formet kanal med rektangelformet tverrsnitt. Kanalen omfatter en ytre buet gjennomtrengelig vegg. En gasstrøm blir tilført til gassinnløpet med supersonisk hastighet. Gassen konvergerer gjennom halsen og ekspanderer inne i kanalen, og øker hastigheten til supersoniske hastigheter. Ekspansjonen av strømningen i det supersoniske område resulterer i dråpe-koalesens og de større dråpene passerer gjennom den ytre gjennomtrengelige vegg og blir samlet i et kammer.

EP-A-0,496,128 henviser til en fremgangsmåte og en innretning for å separere en gass fra en gassblanding. Anordningen omfatter en sylinder som konvergerer til en dyse og divergerer til en virvelsone. Gassen med subsonisk hastighet entrer en innløpsport og sylinderen, og strømmer gjennom en konvergerende seksjon av dysen. Strømningen ekspanderer ut av den konvergerende seksjon inn i den divergerende seksjon av sylinderen ved supersonisk hastighet. Et par deltaformede plater tilfører en virvel til den supersoniske strøm. Kombinasjonen av supersonisk hastighet og virvelen hjelper til å kondensere og separere en kondensert komponent fra de gassformige komponenter i strømmen. Et utløpsrør er plassert sentralt inne i sylinderen for å tillate uttømming av de gassformige komponenter av strømmen ved supersonisk hastighet. Væskekomponentene fortsetter gjennom den andre divergerende seksjon som reduserer hastigheten til subsonisk, og gjennom en vifte, og kommer til slutt ut av sylinderen gjennom et annet utløp.

WO 99/01194 beskriver en liknende fremgangsmåte og tilsvarende innretning for å fjerne en valgt gassformig komponent fra en strøm av fluid inneholdende et antall gassformige komponenter. Denne innretningen er utstyrt med en struper-strømnings-induserer nedstrøms fra samlingssonen for å redusere strømmens aksielle hastighet av strømmen til subsonisk hastighet. Anvendelse av en sjokkbølge på denne måten resulterer i en mer effektiv separasjon av de dannede partikler.

Disse publikasjoner beskriver forskjellige supersoniske treghetsseparatorer. Ingen av dem beskriver eller antyder imidlertid bruk oppstrøms fra en brønnhode-struper i et brønnkompletteringssystem og/eller istedenfor brønnhode-struperen.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte for å fjerne kondenserbare stoffer fra en strøm av naturgass oppstrøms fra en brønnhodestruper forbundet med en underjordisk formasjon ved bruk av en brønnhull-treghetsseparator, i hvilken dråper og/eller partikler blir separert fra gassene, og gassene fra hvilke de kondenserbare stoffer er fjernet blir samlet, kjennetegnet ved at fremgangsmåten omfatter (A) å påvirke naturgass-strømmen til å strømme ved supersonisk hastighet gjennom en treghetsseparator omfattende en rørledning som har en akselerasjonsseksjon i hvilken gasstrømmen blir akselerert til supersonisk hastighet og dermed avkjøles til en temperatur som er lavere enn en temperatur ved hvilken kondenserbare stoffer vil begynne å kondensere og danne separate dråper og/eller partikler; og (B) transportere gassen og/eller de kondenserbare stoffer til et brønnhode og/eller reinjisere den i den underjordiske formasjon fra hvilken den er produsert, eller inn i en annen formasjon, under den forutsetning at ikke all den samlede gass og de kondenserbare stoffer blir reinjisert i samme reservoarsone av den samme formasjon.

Oppfinnelsen angår også et brønnkompletteringssystem for produksjon av gass fra en underjordisk formasjon, omfattende et brønnhode, et brønnhull inneholdende et rør som strekker seg ned i brønnhullet fra brønnhodet, og en treghetsseparator omfattende eventuelt en virvelgivende seksjon som gir gassen en virvlende bevegelse; og en oppsamlingsseksjon hvor det blir samlet en gasstrøm inneholdende en redusert mengde av kondenserbare stoffer, kjennetegnet ved at treghetsseparatoren omfatter en akselerasjonsseksjon hvor gass fra den underjordiske formasjon blir akselerert til en supersonisk hastighet, og kondenserbare stoffer blir kondensert.

Supersoniske treghetsseparatorer som henvist til ovenfor krever en hovedsakelig gassformig strøm (dvs. inneholdende mindre enn 10 vekt%) av enten faststoffer eller væske, ved tilstrekkelig trykk til å gjennomgå supersonisk akselerasjon når de passerer gjennom den konvergerende-divergerende Laval-dyse. Trykkene i brønnen og før brønnhode-struperen kan være i samme område som den underjordiske formasjon, og det er normalt mer enn tilstrekkelig. Fremgangsmåten kan derfor brukes i brønnhullet i en unilateral brønn; det primære brønnhullet eller et eller flere av de avgrenede brønnhull av en multilateral brønn, eller istedenfor struperen i et brønnhode. Fremgangsmåten kan derfor brukes på overflaten, men også under overflaten eller under sjøen.

Man vil forstå, at hvis den supersoniske treghetsseparator brukes istedenfor en struper, blir gassen på en elegant måte frigjort fra kondenserbare stoffer samtidig som reduksjonen i trykk oppstår på det nivået som er nødvendig for et distribusjonsnettverk.

En eller flere attraktive fordeler med den foreliggende oppfinnelse er det minimum, eller til og med mangel på, bevegelige deler i den supersoniske treghetsseparator, hvilket tillater bruk av denne på steder som normalt ville kreve fjernstyring. Den foretrukne supersoniske treghetsseparator er av den type som er beskrevet i EP-A-0,496,128, dvs., hvor den supersoniske strøm som inneholder smådråper og/eller partikler blir tvunget inn i en virvlende bevegelse og dermed forårsaker at dråpene og/eller partiklene strømmer til en radielt ytre seksjon av en oppsamlingssone i strømmen, fulgt av uttrekning av disse dråpene og/eller partiklene i en supersonisk samlingssone.

I en annen foretrukket utførelse av den foreliggende oppfinnelse, oppstår det en sjokkbølge som blir forårsaket av omforming fra supersonisk til subsonisk strøm oppstrøms fra separasjonen av dråpene og/eller partiklene fra oppsamlingssonen. Det er funnet at sepa-rasjonseffektiviteten blir betydelig forbedret hvis oppsamlingen av partiklene i oppsamlingssonen finner sted etter sjokkbølgen, det vil si i en subsonisk strøm istedenfor en supersonisk strøm. Dette antas å være fordi sjokkbølgen forbruker en vesentlig mengde kinetisk energi i strømmen og derved sterkt reduserer den aksielle komponent av strømningshastigheten, mens den tangentielle komponent (forårsaket av virvel-tilføringsanordningen) forblir i det vesentlige uendret. Som et resultat blir tettheten av partikler i den radielt ytre seksjon av samlingssonen betydelig høyere enn ellers i røret hvor strømmen er supersonisk. Det antas at denne effekt er forårsaket av den sterkt reduserte aksielle fluidhastighet, og dermed en redusert tendens til at partiklene blir innfanget i en sentral kjerne av strømmen, hvor fluidet strømmer med høyere aksiell hastighet enn nærmere veggen av røret. I den subsoniske strømningsføring er sentrifugalkreftene som virker på de kondenserte partikler således ikke i større utstrekning motvirket ved innfangningsvirkningen av den sentrale kjerne av strømmen, slik at partiklene tillates å samle seg i en radielt ytre seksjon av samlingssonen, fra hvilken de blir trukket ut.

Sjokkbølgen er fortrinnsvis skapt ved å indusere strømmen av fluider til å strømme gjennom en diffusor. En passende diffusor er en supersonisk diffusor. En diffusor kan for eksempel være et divergerende volum, eller et konvergerende og så divergerende volum.

I en fordelaktig utførelse, er oppsamlingssonen plassert nær utløpsenden av diffusoren.

Den foreliggende oppfinnelse kan praktiseres i kombinasjon med andre operasjoner for å bevirke tørring av fluidstrømmen, eller praktiseres foran konvensjonelle separatorer for å redusere størrelsen og kapasiteten som er nødvendig for sistnevnte. En av strømmene som inneholder væsker fra samlingssonen eller strømmen fra hvilken væskene er separert, kan utsettes for et ytterligere separasjonstrinn, for eksempel en tørrer eller separator.

Hvilken som helst gassformig fraksjon separert sammen med kondenserbare stoffer, for eksempel fra den radielt ytre seksjon av oppsamlingssonen i tilfellet med en supersonisk treghetsseparator av typen som beskrevet i EP-A-0,496,128 eller WO 99/011994, kan med fordel resirkuleres til innløpet, fortrinnsvis ved bruk av en induktor for å øke trykket tilbake til trykket i innløpsstrømmen.

Et annet alternativ i praktiseringen av den foreliggende oppfinnelse er å rute de kondenserbare stoffer til en væske-væske-separator hvor for eksempel en flytende hydrokarbonfase blir isolert fra en vannholdig fase. Den flytende vannfasen kan for eksempel reinjiseres i den samme formasjon, i en grunnere eller dypere reservoarsone, eller inn i en annen formasjon. Den flytende hydrokarbonfase kan produseres enten med gasser, istedenfor gassene, eller separat fra gassene. Reinjisering av den flytende hydrokarbonfase, for eksempel for senere produksjon, er også en opsjon.

Anordningen for å bringe strømmen til å strømme ved supersonisk hastighet omfatter med fordel et Laval-typeinnløp av røret, hvor området med minst tverrsnittsareal av diffusoren fortrinnsvis er større enn det minste tverrsnittsareal av Laval-typeinnløpet.

Den foreliggende oppfinnelse kan også brukes til å reinjisere gass separert fra kondenserbare stoffer inne i et brønnhull. Når for eksempel flere reservoarer er til stede (f.eks., stabler med reservoarer med forskjellige reservoarer gjennomtrengt av forskjellige brønn-hull i en multilateral brønn) og det er ønsket å produsere bare kondensater fra gassen. Gasser kan reinjiseres for å hindre flamming eller for å opprettholde reservoartrykk. En separator anvendt ved fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse kan fjerne kondenserbare fluider fra gassen, og gassen kan så bli reinjisert fra det samme brønnhull.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor figur 1 viser skjematisk lengdesnitt av en første foretrukket utførelse av separatoren som er nyttig i praktisering av den foreliggende oppfinnelse, figur 2 viser skjematisk et lengdesnitt av en annen utførelse av innretningen som er nyttig til praktiseringen av den foreliggende oppfinnelse, figur 3 viser skjematisk en innretning ifølge den foreliggende oppfinnelse inne i et brønnhull og et brønn-kompletteringssystem, figur 4 viser skjematisk en innretning som brukes til å demonstrere innretningen som er nyttig i praktisering av den foreliggende oppfinnelse, figur 5A og 5B viser skjematisk en innretning ifølge den foreliggende oppfinnelse ved et brønnhode i et brønn-kompletteringssystem, figur 6 viser en skjematisk tegning av en utførelse av den foreliggende oppfinnelse hvor ifølge den foreliggende oppfinnelse væskestrømmen blir rutet til en væske-væske-separator, og en vannholdig fase blir utskilt fra hydrokarbonfasen, og den vannholdige fase blir reinjisert i formasjonen, og figur 7 er en skjematisk tegning av en utførelse av den foreliggende oppfinnelse hvor kondensat blir produsert og en gass blir reinjisert i formasjonen.

På figur 1 er det vist en ledning i form av et åpen-endet rørformet hus 1. Et fluid-innløp 3 er anordnet i en ende av huset, et første utløp 5 for væske-ladet fluid nær den andre ende av huset, og et annet utløp 7 for i hovedsak væskefritt fluid ved den andre ende av huset. Strømningsretningen i innretningen 1 er fra innløpet 3 til de første og andre utløpene 5, 7.

Innløpet 3 er en akselerasjonsseksjon som inneholder en Laval-type som har et lengdesnitt med konvergerende-divergerende form i strømningsretningen for å frembringe en supersonisk strømningshastighet hos fluidstrømmen som skal strømme inn i huset via innløpet 3. Huset 1 er videre utstyrt med en primær sylindrisk del 9 og en diffusor 11 slik at den primære sylindriske del 9 er plassert mellom innløpet 3 og diffusoren 11. En eller flere (f.eks. 4) delta-formede vinger 15 stikker radielt innover fra den indre overflate på den primære sylindriske del 9, hvor hver vinge 15 er anordnet med en valgt vinkel i forhold til strømningsretningen i huset for å gi en virvlende bevegelse til fluid som strømmer ved supersonisk hastighet gjennom den primært sylindriske del 9 av huset 1.

Diffusoren 11 har et lengdesnitt av konvergerende-divergerende form i strømnings-retningen, og definerer et diffusorinnløp 16 og et diffusorutløp 19. Området med minst tverrsnittsareal av diffusoren er større enn det minste tverrsnittsareal av Laval-typeinnløpet 3.

Huset 1 omfatter videre en sekundær sylindrisk del 17 som har et større strømnings-areal enn den primære sylindriske del 9, og er anordnet nedstrøms fra diffusoren 11, i form av en fortsettelse av diffusoren 11. Den sekundære sylindriske del 17 er utstyrt med langsgående innløpsslisser 18 for væske, hvilke slisser 18 er anordnet i en passende avstand fra diffusorens utløp 19.

Et utløpskammer 21 omgir den sekundære sylindriske del 17, og er utstyrt med det nevnte første utløp 5 for en strøm av konsentrerte væsker.

Den andre sylindriske del 17 munner ut i det tidligere nevnte andre utløp 7 for hovedsakelig gass.

Normal drift av innretningen 1 skal nå forklares for utførelsen hvor det benyttes en subsonisk separasjon.

En strøm inneholdende partikler av mikronstørrelse blir innført i Laval-type-innløpet 3. Mens strømmen strømmer gjennom innløpet 3, blir strømmen akselerert til supersonisk hastighet. Som følge av den sterkt økende hastighet av strømmen, kan temperaturen og trykket i strømmen reduseres til under kondenseringspunktet for høyere gassformige komponenter i strømmen (f.eks. vanndamp), som derved kondenseres til å danne et antall væskepartikler. Når strømmen flyter langs de deltaformede ringer 15, blir en virvlende bevegelse tilført strømmen (skjematisk indikert ved spiralen 22) slik at væskepartiklene blir utsatt for radielt utadgående sentrifugalkrefter. Når strømmen entrer diffusoren 11 blir det skapt en sjokkbølge nær nedstrømsutløpet 19 av diffusoren 11. Sjokkbølgen forbruker en betydelig mengde av den kinetiske energi i strømmen, slik at hovedsakelig den aksielle komponent av strømhastigheten blir redusert. Som et resultat av den sterkt reduserte aksielle komponent av fluidhastigheten, vil den sentrale del av strømmen (eller kjernen) strømme med redusert aksiell hastighet. Resultatet er en redusert tendens til at faststoffer, og kondenserte partikler blir innfanget i den sentrale del av strømmen som flyter i den sekundære sylindriske del 17. De kondenserte partikler kan derfor samles i en radielt ytre seksjon av oppsamlingssonen av strømmen i den sekundære sylindriske del 17. De oppsamlede partikler danner et væskelag som blir trukket ut fra oppsamlingssonen via utløpsslissene 18, utløpskammeret 21, og det første utløp 5 for hovedsakelig væske. Det er imidlertid også innenfor oppfinnelsen å fjerne de kondenserte partikler ved supersonisk hastighet, uten en oppstrøms sjokkbølge.

Strømmen fra hvilken kondenserbare damper er fjernet, blir tømt ut gjennom det andre utløp 9 for hovedsakelig væske-fri gass.

På figur 2 er det vist en annen utførelse av innretningen for å utføre oppfinnelsen. Denne innretningen har et åpen-endet rørformet hus 23 med et Laval-type fluidinnløp 25 ved en ende, og et første utløp 27 for strøm inneholdende faststoffer og kondenserte væsker ved den andre ende av huset. Strømningsretningen for fluid i innretningen er indikert ved pilen 30. Huset har, fra innløpet 25 til væskeutløpet 27, en primær i hovedsak sylindrisk del 33, en divergerende diffusor 35, en sekundær sylindrisk del 37, og en divergerende del 39. En deltaformet ving 41 stikker radielt innover i den primære sylindriske del 33, hvor vingen 41 er anordnet med en valgt vinkel i forhold til strømningsretningen i huset for å gi en virvlende bevegelse til fluid som strømmer med supersonisk hastighet gjennom huset 23. Et rørformet annet utløp 43 for hovedsakelig gass strekker seg gjennom det første utløp 27, koaksialt inn i huset, og har en innløpsåpning 45 i nedstrømsenden av den sekundære sylindriske del 37. Utløpet 43 kan være internt utstyrt med en utrettet (ikke vist), for eksempel blad-type utretter, for å omforme en virvlende strøm av gassen til en rett strøm.

Normal operasjon av den andre utførelsen er i det vesentlige lik normal operasjon av den første utførelsen. Supersonisk virvlende strøm oppstår i den primære sylindriske del 33, og en eventuell sjokkbølge oppstår nær overgangen av diffusoren 35 til den sekundære sylindriske del 37. Subsonisk strøm oppstår hvis en diffusor blir brukt i den sekundære sylindriske del 37. Strømmen inneholdende de faste partikler og eventuell kondensert væske blir tømt ut gjennom det første utløp 27, og den tørrede gass blir tømt ut gjennom det andre utløp 43 i hvilket den virvlende strøm av gass blir omformet til en rett strøm av utretteren.

I den ovenstående detaljerte beskrivelse, har huset, den primære sylindriske del, diffusoren og den sekundære sylindriske del, et sirkelrundt tverrsnitt. Hvilke som helst andre passende tverrsnitt for hver av disse enhetene kan imidlertid velges. De primære og sekundære deler kan også alternativt ha en annen form enn sylindrisk, for eksempel en avkortet kjegleform. Videre kan diffusoren ha hvilken som helst annen passende form, for eksempel uten en konvergerende del (som vist på figur 2), spesielt for anvendelse ved lavere supersoniske fluidhastigheter.

I stedet for at hver vinge er anordnet med en fast vinkel i forhold til den aksielle ret-ning av huset, kan vingen være anordnet med en vekslende vinkel i forhold til strømningsretningen, fortrinnsvis i kombinasjon med en spiralform av vingen. Et liknende resultat kan oppnås ved å anordne flate vinger langs en bane av økende vinkel i forhold til aksen for begynnelsesstrømmen.

Videre kan hver ving være utstyrt med en hevet vingspiss (også kalt en vinglett).

Istedenfor at diffusoren har en divergerende fonn (figur 2), har diffusoren alternativt en divergerende seksjon fulgt av en konvergerende seksjon sett i strømnings-retningen. En fordel med en slik diffusor av divergerende-konvergerende form er at fluidtemperaturen i diffusoren øker mindre.

Det henvises nå til figur 3, hvor en innretning ifølge den foreliggende oppfinnelse er vist i et brønnhull. En formasjon fra hvilken hydrokarboner blir produsert 301 er nedenfor et overliggende lag 302, og er gjennomskåret av et brønnhull 303. Brønnhullet gir forbindelse fra formasjonen gjennom perforeringer 305 som er vist pakket med sand 306 for å hindre kollaps av formasjonen inn i perforeringene. Et foringsrør 307 er plassert i brønn-hullet og festet med sement 308 som er plassert ved sirkulasjon fra innsiden av foringsrøret og utsiden for å gi understøttelse. Sementen er fulgt av en sementplugg 309 som forblir på bunnen av foringsrøret, og er fanget av en leppe 310 anordnet i bunnsegmentet av foringsrøret for dette formål.

Gass som strømmer fra formasjonen blir tvunget gjennom separatoren ved en tetningspakning 311 som er effektiv til å isolere brønnhullet i nærheten av den produserende formasjon. Gass fra den produserende formasjon går gjennom innløpets Laval-dyse 312 hvor supersoniske hastigheter blir skapt, og vingen 313 tilfører en virvel til den supersoniske strøm. En tilstrekkelig lang strømningsbane 314 er anordnet for det supersoniske strømningsområde. En diffusorseksjon 314 er eventuelt anordnet for å skape en sonisk sjokkbølge, fortrinnsvis like oppstrøms fra separasjonen av væskene fra den radielt ytre seksjon fra dampene, som blir innfanget i en virvelfinner 316 og rutet til overflaten gjennom et produksjonsrør 317. Strømning fra den radielt ytre seksjon av deler av samlingsseksjonen 318 er vist som rutet til utsiden av produksjonsrøret til et ringformet volum mellom foringsrøret 307 og produksjonsrøret 317 gjennom et tangentielt utløp 319. Det tangentielle utløp kan hjelpe til å skille væskene fra dampene i væskestrømmen. Skjønt strømmen som blir fjernet fra den radielt ytre seksjon av samlingsseksjonen fra begynnelsen er flytende, kan betydelig fordampning oppstå når gassen blir rekomprimert i sjokkbølgen som induseres av diffusoren. Men væsken kan bli tilstrekkelig konsentrert da selv denne stigning i temperaturen ikke fordamper alle de kondenserbare stoffer i strømmen. En typisk sugepumpe eller borehulls elektrisk pumpe 320 er vist å fjerne flytende vann som har falt tilbake til isolasjonspakningen 311. Gjeninjisering i formasjonen er også mulig, både for væsker og gasser, muligens ved hjelp av elektriske neddykkbare pumper, om nødvendig ved dannelse av trykkforhold i tilfellet multilaterale brønner.

Strømmen konsentrert i vann og/eller tunge hydrokarboner er fortrinnsvis av en slik sammensetning at tilsetning av komponenter for å hindre dannelse av hydrater ikke er nød-vendig. Selv om hydratbegrensning er ønskelig, vil mengden av hydrathindrende middel som er nødvendig, bli betydelig redusert på grunn av at det bare er de mindre volumer fluid som skal behandles.

Det henvises nå til figur 5A, hvor et kompletteringssystem ifølge den foreliggende oppfinnelse er vist skjematisk ved et undersjøisk brønnhode. En undersjøisk brønn 501, i omgivende vann 513 er vist med et foringsrør 502 med perforeringer 503 som frembringer forbindelse fra en formasjon 512 til innsiden av brønnhullet 504. Typisk brønnhodeutstyr 505 er vist skjematisk. Separatoren 506 separerer en for det meste flytende strøm 507 fra en tørkestrøm med damper 508. Temperaturer ved sjøbunnen 509 nærmer seg frysetempera-turer, og dannelse av hydrater langs bunnrørene er derfor en alvorlig bekymring. Den foreliggende oppfinnelse frembringer et enkelt og billig dehydreringssystem med lavt vedlikehold. De fraskilte væsker kan utstyres med hydratbegrensende tilsetninger 510 gjennom en styrt injeksjon 511.

Det henvises nå til figur 5B, hvor en annen utførelse er vist, med et brønnhull 550 plassert ved en overflate 551. Brønnhullet er foret med et foringsrør 554 utstyrt med perforeringer 555. Typisk brønnhodeutstyr kan være anordnet 552. En væske-damp-separator 553 er utstyrt med et væskeutløp 556 og et nivåkontrollsystem 557. Et damputløp fra væske-damp-separatoren 563 er rutet til dehydratoren 558. Dampene fra utløpet 559 fra separatoren er tørr gass 560 som har et duggpunkt lavere enn duggpunktet for de produserte gasser. Væsken fra separatoren 564 kan inneholde damper, som vil være mettet, og som derfor fortrinnsvis er rutet til en annen damp-væske-separator 561. Væskene fra denne separatoren 562 kan kombineres med væskene fra den første separator, eller rutes separat til overflateutstyret. Alternativt, kan væsker fra den andre separator injiseres i en formasjon for effektiv disponering. Væskene fra den andre separator kan pumpes til et reservoar med høyere trykk, som kan være forbundet via et annet brønnhull av en multilateral brønn, eller strømme ved trykkfall til en tilgjengelig formasjon med lavere trykk. Væskene fra den andre separator, hvis reinjisering er ønskelig, kan samles og så reinjiseres, eller reinjiseres i brønn-hullet fra hvilket gassen blir produsert.

Det henvises nå til figur 6, hvor det er vist en utførelse av den foreliggende oppfinnelse hvor en separator 601 inne i et brønnhull 602 som er perforert i en hydrokarbongass-produserende formasjon 603. Brønnhullet er vist foret med et foringsrør 604 som er sementert med sement 605, med en sementsko 606. En pakning 607 isolerer den produserende del av brønnhullet, og tvinger den produserte gass inn i et innløp 608 til separatoren. En ving 609 induserer en virvel til den supersoniske gass som har passert gjennom Laval-dysen 610, og kondenserbare stoffer blir samlet og kommer ut av separatoren fra et væskeutløp 611. Væsker fra væskeutløpet passerer til en væske-væske-separator 612. Væske-væske-separatoren kan være hvilken som helst som er kjent i teknikken. Væskene blir separert til en hydrokarbonfase som blir rutet til brønnhodet 613 ved overflaten 614, gjennom et rør 618 så som et spolet rør. En flytende vannholdig fase 615 blir rutet gjennom perforeringer 616 til en formasjon. Et annet sett av pakninger 619 er vist, og isolerer en seksjon av brønnhullet for reinjisering av den vannholdige fase. Damper fra hvilke de kondenserbare stoffer omfattende vann er fjernet, blir rutet gjennom et produksjonsrør 617 til brønnhodet, hvor produsert gass 620 og produserte hydrokarbonvæsker 621 blir samlet separat.

Det henvises nå til figur 7, som viser et brønnhull 701 med et foringsrør 714 perforert med perforeringer 702. Sement 703 sikrer foringsrøret i en formasjon 704 fra hvilken hydrokarbon blir produsert, hvor sementen er tvunget ned foringsrøret ved trykk bak en sementsko 715. Hydrokarbonene blir tvunget gjennom en separator 705. Separatoren har et væskeutløp 706 og et damputløp 707. Væskeutløpet er i forbindelse med produksjonsrøret 708. Damputløpet er i forbindelse med et segment av volumet inne i foringsrøret 709 som er i forbindelse med en annen formasjon 710 til hvilken dampene skal reinjiseres gjennom flere perforeringer 711. Segmentet av volumet inne i foringsrøret i forbindelse med den andre formasjon er isolert med en øvre pakning 712 og en nedre pakning 713.

Ikke vist er bruken av en innretning som beskrevet enten på figur 6 eller 7, i et flergrenet brønnhullsystem. Hvis brukt i et forgrenet brønnhullsystem, er innretningen fortrinnsvis brukt ved forbindelsespunktet for brønnhullene. I en slik anordning kan de kondenserbare stoffer eller en del av dem, eller isteden den behandlede gass eller en del av den, bli dirigert via forgreningsbrønnen til enten en annen formasjon eller en annen reservoarsone. Et slikt system kan for eksempel brukes for å unngå vannproduksjon til overflaten, hvilket ville kreve ytterligere prosessering. Den kan også brukes til å flytte gass til en reservoarsone som brukes for trykk-vedlikehold eller underjordisk gasslagring.

Virvelanordningen kan anordnes ved innløpsdelen til ledningen, istedenfor nedstrøms fra innløpsdelen.

En testanordning for den foreliggende oppfinnelse er blitt produsert og demonstrert for å separere vanndamp fra luft ved omgivelsesforhold. Det er klart at i tilfelle anordningen blir brukt under jorden, under sjøen eller ved brønnhoder, kan forskjellige temperaturer, trykk og Mach-tall gjelde. En fagperson vil imidlertid ikke ha noen vanskeligheter med å gjøre de nødvendige tilpasninger. Figur 4 er henvist til for den generelle konfigurasjon av den anordning som brukes.

I dette tilfelle ble luften 425 satt under trykk til 140 kPa (1,4 bar (a)) ved hjelp av en blåse 401, for å frembringe trykkluft 426. Etter blåseren ble luften avkjølt til omkring 25-30 °C med en finnekjøler 402 plassert i et kar 418, og vann 419 ble sprøytet inn i damprommet nedenfor kjøleren 420 for å sikre at luften var nær vann-metning (RF = 90 %). Denne vann-mettede luft 427 ble matet til væske-damp-separatoren 403 hvor vannet ble skilt fra med en liten mengde luft inn i en våt strøm 421 og kom sammen med denne vann-strømmen og tørket luft 422.

I dette eksempel ble innretningen utstyrt med en rørformet strømningskanal, skjønt det samme resultat kan oppnås med rektangulære eller asymmetriske kanal-tverrsnitt. Diameteren av anordningen blir derfor nevnt, og henviser alltid til den indre diameter.

Det typiske innløpsforhold er oppsummert nedenfor:

Innretningen kondenserte vanndamp, hvilket resulterte i en tåkestrøm inneholdende store antall vanndråper. Den endelige temperatur og trykk i den supersoniske sone 428 ble funnet å være -28 °C og 68 kPa), resulterende i en vanndampfraksjon som var så liten at den var ubetydelig.

Dysehalsdiameteren 404 var 70 mm. Innløpsdiameteren 405 var 300 mm, skjønt denne verdien ikke er vesentlig når det gjelder virkningen av anordningen. Dyseutløpsdiameteren 400 var 80 mm for å oppnå supersoniske strømningsforhold; hvor typisk det tilsvarende Mach-tall, M = 1,5.

Lengden av dysen bestemmes ved avkjølingshastigheten, som i dette tilfelle er 19000 K/s. Fagfolk kan bestemme trykk- og temperaturprofiler for strømmen gjennom anordningen, og således avkjølingstakten. Avkjølingshastigheten bestemmer dråpestør-relsesfordelingen. Senkning av avkjølingshastigheten resulterer i større gjennomsnittlige dråpestørrelser. Lengden av dysene var:

LI, 406: 700 mm: fra dyseinngangen til dysehalsen

L2,407: 800 mm: fra dysehalsen til dyseutløpet.

For å redusere friksjonstap var veggenes ruhet liten, fortrinnsvis 1 um eller mindre.

Avhengig av anvendelsen kan hvilket som helst stivt material brukes for dyseanordningen, så lenge de tidligere nevnte designparametrene respekteres.

Virvelrøret 408 ble forbundet mellom dyseutløpet og diffusoren. I virvelrøret var en ving-liknende virveldannende innretning 409 til stede. Ved kanten av denne ble det skapt en virvel på den øvre (lavtrykk) side, og utfelt fra planet, fortrinnsvis ved den bakre kant. Rot-kjernen av denne ving-liknende platen var festet til den indre vegg av virvelrøret.

Innløpsdiameteren til virvelrøret 400 var 80 mm. I dette tilfelle var virvelrøret litt konisk; diameteren øket lineært til 84 mm (423) over en lengde på tilnærmet kordlengden av vingen.

Etter den koniske seksjon av virvelrøret 410, var virvelrørets diameter konstant 84 mm over en lengde hvor smådråper ble utfelt på den indre vegg (separasjonslengde). Disse to lengdene var:

Størrelsen på vingplaten vil avhenge av den foretrukne sirkulasjon eller oppnådd virvling. En sirkulasjon er typisk 16 m<2>/s resulterende fra en ving-kordlengde på 300 mm, et vingespenn ved den bakre kant på 60 mm og et innfall av vingkorden ved aksen av røret på 8 °. Skråvinkelen for den ledende kant (fra perpendikulæren på strømmen) var 87 °, og skråvinkelen ved den bakre kant var 40 °. Kantene på vingene var skarpe. Planet for vingene var flate, og profilen var ekstremt slank. Tykkelsen av vingen var omkring 4 mm ved roten. Vingen var i en 8 ° vinkel til rørets akse.

I dreneringsseksjonen ble uttrekning av væske fra virvelrøret oppnådd. Dreneringsseksjonen er ikke en spesiell innretning, men er en integrert del av virvelrøret. Ved hjelp av for eksempel slisser, porøst materiale, hull i virvelrørets vegger eller som vist på figur 4, en integrert del av diffusoren ved hjelp av virvelfinner 413 (koaksial kanal). I dette eksempel var virvelfinner (koaksial kanal) plassert sentralt i kanalen etter sjokkbølgen, som var til stede direkte etter virvelrøret i den første diffusordel 414.

Dimensjoneringen av virvelrøret er avhengig av diameterforholdet mellom diffusorens diameter ved dette stedet 414 (90 mm ved innløpet) og virvelfinnerens innløpsdiameter ved det punktet 425 (85 mm ved innløpet). Forskjellen i tverrsnittsareal mellom de nevnte to påvirker minimal strømning, som blir uttrukket fra hovedstrømmen inneholdende væskene. I dette tilfelle var denne minimumsstrøm 10 % av hovedstrømmen, dvs. 0,12 kg/s. Diffusorlengden 433 var 1500 mm.

I diffusoren blir den gjenværende kinetiske energi i strømmen omformet til stil-lingsenergi (økning av statisk trykk). Det er ønskelig å unngå grenselagsseparasjon som kan forårsake stopp som et resultat av lav effektivitet. Derfor bør halve divergensvinkelen for diffusoren i det foreliggende testopplegg fortrinnsvis være mindre enn 5 °, mens i dette tilfelle 4 <0> var brukt. Diffusorens innløpsdiameter var den samme som virvelfinnerens innløpsdiameter (85 mm). Utløpsdiameteren 415 for diffusoren var 300 mm, og den tørre luften ved dette punkt var omkring atmosfæretrykk. Ytelsen av denne innretningen ble målt med to fuktighetssensorer (kapasitivt prinsipp: produsent "Vaisala"), en ved luftinnløpet 416 og den andre ved tørrluftsutløpet 417, begge ble korrigert for temperatur og trykk. De typiske verdier av innløpets vannfraksjoner var 18 til 20 gram vanndamp per kg tørr luft. Typiske verdier for utløpsvannet var 13-15 g vanndamp per kg av tørr luft. Dette kan uttrykkes i separasjonseffektiviteter på omkring 25 % vanndamp fjernet i innløpet. Dette tilsvarer også separasjonen av væske kondensert i det supersoniske område, fordi det meste av flytende vann til stede i innløpsstrømmen kondenseres ved dette punkt.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for å fjerne kondenserbare stoffer fra en strøm av naturgass oppstrøms fra en brønnhodestruper (505, 552) forbundet med en underjordisk formasjon (301, 603, 704) ved bruk av en brønnhull-treghetsseparator, i hvilken dråper og/eller partikler blir separert fra gassene, og gassene fra hvilke de kondenserbare stoffer er fjernet blir samlet, karakterisert ved at fremgangsmåten omfatter (A) å påvirke naturgass-strømmen til å strømme ved supersonisk hastighet gjennom en treghetsseparator omfattende en rørledning (1, 23, 314) som har en akselerasjonsseksjon (3, 25, 312) i hvilken gasstrømmen blir akselerert til supersonisk hastighet og dermed avkjøles til en temperatur som er lavere enn en temperatur ved hvilken kondenserbare stoffer vil begynne å kondensere og danne separate dråper og/eller partikler; og (B) transportere gassen og/eller de kondenserbare stoffer til et brønnhode (505, 552) og/eller reinjisere den i den underjordiske formasjon (301, 603, 704) fra hvilken den er produsert, eller inn i en annen formasjon (710), under den forutsetning at ikke all den samlede gass og de kondenserbare stoffer blir reinjisert i samme reservoarsone av den samme formasjon (301, 603, 704).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor det i en virvelgivende seksjon (15, 41, 313, 409) induseres en virvelbevegelse i den supersoniske strøm av fluid, og dermed forårsaker at væskedråpene strømmer til en radielt ytre seksjon av en samlingssone (11, 37, 318) i strømmen, fulgt av den subsoniske eller supersoniske uttrekning av væsken i utløps-strømmen fra den radielt ytre seksjon av samlingssonen (11,37, 318).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, hvor virvelbevegelsen indusert i den supersoniske fluidstrøm forårsaker at de kondenserbare stoffer strømmer til en radielt ytre seksjon av samlingssonen (11, 37, 318) i strømmen, fulgt av subsonisk eller supersonisk uttrekning av de kondenserbare stoffer inn i en ytre strøm fra den radielt ytre seksjon av samlingssonen (11,37,318).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, hvor sjokkbølgen skapes ved å bevirke at fluidstrømmen strømmer gjennom en diffusor (11,315).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-4, hvor gassen fra hvilken de kondenserbare stoffer er fjernet, transporteres til et brønnhode (505, 552) eller annen reservoarsone gjennom et produksjonsrør (317, 617), og de kondenserbare stoffer eller deler av de kondenserbare stoffer transporteres til overflaten gjennom en annen strømningsbane (618,708).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor vann fjernes fra gassen som en kondenserbar komponent.

7. Brønn-kompletteringssystem for produksjon av gass fra en underjordisk formasjon, omfattende et brønnhode (505, 552), et brønnhull inneholdende et rør (317, 617) som strekker seg ned i brønnhullet fra brønnhodet (505, 552), og en treghetsseparator omfattende eventuelt en virvelgivende seksjon (15, 41, 13, 409) som gir gassen en virvlende bevegelse; og en oppsamlingsseksjon (7, 43, 316) hvor det blir samlet en gasstrøm inneholdende en redusert mengde av kondenserbare stoffer, karakterisert ved at treghetsseparatoren omfatter en akselerasjonsseksjon hvor gass fra den underjordiske formasjon (301, 603, 704) blir akselerert til en supersonisk hastighet, og kondenserbare stoffer blir kondensert.

8. Brønn-kompletteringssystem ifølge krav 7, hvor det omfatter en supersonisk treghetsseparator i et brønnhull.

9. Brønn-kompletteringssystem ifølge krav 7, hvor det omfatter en supersonisk treghetsseparator ved brønnhodet.

10. Brønn-kompletteringssystem ifølge krav 7-9, hvor det omfatter et flergrenet brønnhullssystem som forbinder reservoaret i en produksjonsformasjon med et eller flere andre reservoarer.

11. Brønn-kompletteringssystem krav 7-10, hvor det videre omfatter en eller flere neddykkbare pumper.

12. Brønn-kompletteringssystem ifølge krav 7, hvor samlingsseksjonen (43, 316) for å samle gasstrømmen som inneholder en redusert mengde av kondenserbare stoffer, er utformet ved et andre utløp (43,316) som strekker seg koaksialt gjennom et første utløp (27, 318, 319) for kondenserbare stoffer, inn i det rørformede hus (23) av treghetsseparatoren.