NO330502B1 - Anordning og framgangsmate for nedihulls separasjon av olje og vann i en produksjonsbronn - Google Patents

Description

Anordning og framgangsmåte for nedihulls separasjon av olje og vann i en produksjonsbrønn.

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for separasjon av olje og vann ved oljeproduksjon, samt en framgangsmåte for produksjon av olje, i samsvar med de selvstendige krav.

Bakgrunn

En petroleumsførende formasjon (petroleumsreservoar) omfatter en porøs bergart med et porevolum som er fylt med hydrokarbongass, olje og vann, eller olje og vann eller gass og vann. Ved produksjon fra reservoaret vil det danne seg et trykkfelt rundt borehullet, som fører til at olje strømmer inn. Trykkfeltet kan imidlertid være så stort at vann og/ eller gass også blir trukket inn i borehullet. I løpet av reservoarets produksjonstid vil mengden olje avta, og et eventuelt grensesnitt mellom gass og olje vil bevege seg nedover mot produksjonssonen, mens et eventuelt grensesnitt mellom vann og olje vil bevege seg oppover. Resultatet blir at vann- og gassproduksjonøker i løpet av reservoarets levetid. Vann- og/eller gassproduksjonen kan også skyldes at produksjonssonen er i gass- eller vannsonen, at reservoaret har inhomogeniteter som gjør det spesielt gunstig for gass og/eller vann å strømme til produksjonssonen, eller andre faktorer. Resultatet blir at vann og/eller gass produseres sammen med oljen, hvilket er uønsket fordi mengde produsert olje per tid avtar, samt at blandingen må separeres i et eget trinn.

Olje, gass og vann separeres i et prosessanlegg, og ved stor vann og/eller gassproduksjon må separasjonsutstyret ha tilsvarende stor kapasitet, hvilket både blir kostbart og plasskrevende. Ved bruk av en anordning som separerer vann fra gass og olje i produksjonssonen vil prosessering av produserte fluider bli vesentlig enklere. Ved bruk av havbunnsinstallasjoner vil det være spesielt gunstig å separere ut vann allerede ved brønnhodet da det er ugunstig å transportere vann, olje og gass i samme rørledning på grunn av faren for hydratdannelser.

Det er gjort flere forsøk på å framskaffe slike separasjons-anordninger, ved bruk av selektive membraner. US 4,242,787 beskriver en nedihullsseparator med filter som innebefatter en halvgjennomtrengelig membran, som bare fuktes avvann. US 5,932,091 beskriver et oljeholdig spillvanns-behandlingssystem for skip som benytter membraner for å separere olje fra vann.

US 5,673,752 beskriver produksjon avgass fra et reservoar med gass og vann. Framgangsmåten benytter en hydrofob membran som slipper gjennom gass, men ikke vann. Membranen er pakket som en spiralmodul nede i borehullet. Det angis ikke noe system for produksjon/reinjeksjon av vann eller rensing av membranen.

US 4,296,810 beskriver separering av olje/vann nede i borehullet, ved bruk av vannfuktende (hydrofile) membraner pakket som spiralmoduler. Det benyttes også pumper for separasjon og reinjeksjon avvann, pumpene er plassert nede i borehullet.

WO Al 95/09970 angir et system for separering av olje/gass og vann med sykloner og separasjon av uønskede gasser (C02, H2S, H20) fra hydrokarbongassen ved hjelp av membraner.

US patentskrift 6,015,011 beskriver en innretning for separasjon av hydrokarboner og vann nede i borehullet, basert på bruk av ett eller flere filtre som tillater transport av gass og olje ved gitte differensialtrykk over filteret, men som holder vann tilbake. Den selektive funksjonaliteten henføres til permeabilitetseffekter, relativ størrelse og dissosiasjonsegenskaper for vannmolekyler. Dette fører til at gass strømmer inn ved lavere differensialtrykk enn olje som igjen strømmer inn ved lavere differensialtrykk enn vann. Det er angitt i beskrivelsen at filteret kan tilpasses slik at bare fraksjoner av oljen produseres. Dette kan være mulig dersom oljen har komponenter som foreligger som partikler/aggregater men disse vil i tilfelle tette filteret etter kort tid.

Formål

Hovedformålet med foreliggende oppfinnelse er å framskaffe en enkel anordning for separasjon av olje og gass i produksjons-sonen i et petroleumsreservoar. Ytterligere formål er at anordningen skal ha lang levetid, være enkel å vedlikeholde uten at den må tas opp til overflata, at den ikke skal være plasskrevende, samt at den ikke skal redusere produksjonshastigheten fra reservoaret, vesentlig.

Oppfinnelsen

Formålet nås med en anordning i samsvar med den karakteriserende delen av krav 1, og en framgangsmåte i samsvar med krav 8. Ytterligere fordelaktige trekk er angitt i de tilhørende uselvstendige krav.

Med en separasjons-anordning i samsvar med foreliggende oppfinnelse, oppnås vann/ olje separasjon ved at oljen passerer gjennom en hydrofob membran. Det er store forskjeller mellom separering av olje fra vann, og gass fra vann. Det er vesentlig for oppfinnelsen at det er olje, og ikke vann som skal strømme gjennom membranen.

Med membran er det i denne sammenhengen ment ethvert materiale som er, eller ved behandling kan gjøres, oljefuktende, og som har små nok porer til at inntrengingstrykket for uønsket fase (i dette tilfellet vann og eventuelt gass) blir så stort at den uønskete fasen ikke vil strømme inn i porene ved de trykkforhold som oppstår i produksjonssonen ved oljeproduksjon. Membranen kan enten ha en oppbygging slik at den ved aktuell bruk må legges på en mekanisk støtte, eller den kan bygges opp med flere støttesjikt slik at den i seg selv blir stiv nok til å opprettholde formen ved de trykkforhold som oppstår i produksjonssonen ved oljeproduksjon.

I de fleste tilfeller vil også vann strømme mot produksjonssonen under oljeproduksjon. Dersom vann ikke produseres/fjernes fra produksjonssonen, vil det akkumuleres og oljetransporten mot produksjonssonen vil reduseres og kan i enkelte tilfeller stanse fullstendig. For å fjerne vann som akkumuleres rundt og i produksjonssonen, kan det separeres fra oljen med en anordning i samsvar med krav 1, og transporteres vekk. Hvorvidt vannet bør fjernes kontinuerlig, i intervall eller i det hele tatt, vil avhenge av vannmengden som til enhver tid strømmer inn i produksjonssonen.

For å kunne opprettholde en vann/olje separasjonsprosess med tilfredsstillende oljefluks over tid, vil det for de fleste reservoartyper være nødvendig å kunne rense membranen med jevne mellomrom. Anordningen i samsvar med foreliggende oppfinnelse har en enkel oppbygging for separasjon av olje og vann, som muliggjør en enkel rensing av membranen. Anordningen inngår som en del av et totalt system for oljeproduksjon/reinjeksjon av produsert vann og membran-rensing. Systemet har videre den fordel at det ikke omfatter bevegelige deler nede i borehullet.

Trykket i produksjonsrøret reguleres med kjente teknikker. I de tilfeller disse teknikkene krever separate anordninger, kan disse plasseres på overflata, f.eks. på en produksjonsplattform eller en undervannsinstallasjon. Når trykket er lavere i produksjonssonen enn i den omliggende formasjonen i reservoaret, vil reservoarfluider strømme inn i produksjonssonen.

I de tilfeller vann kommer i kontakt med membranen, vil ikke dette strømme gjennom membranen i separasjonsanordningen, med mindre trykket i vannfasen er større enn inntrengingstrykket gitt ved ligning (1). Eksempler på inntrengningstrykk er gitt i Tabell 1. Beregningen er gjort for et fullstendig oljefuktende materiale med to forskjellige poreradier.

For å unngå at membranen presses flat når oljen strømmer inn i produksjonsrøret, gjennom membranen, bør denne avstives. Membranen kan enten framstilles av et materiale som er tilstrekkelig stivt til at membranen holder formen under hele eller i det minste deler av reservoarets levetid, eller membranen kan omslutte et stivt støtterør med perforeringer. I det siste tilfellet stilles det ingen krav med hensyn på stivhet for å opprettholde formen, til materialet i membranen. En annen mulig utforming er en kombinasjon av de ovennevnte løsningene, idet membranen har en indre armering som gir tilstrekkelig stivhet.

Aktuelle membranmaterialer kan blant annet være polytetrafluoretylen (PTFE), poly-vinylidenfluorid (PVDF), polypropylen og polyetylen. Det er mulig å lage oljefuktende membraner på mange måter, blant annet ved å belegge et mikrogitter med f.eks teflon eller å bestråle en homogen kunststoffilm slik at det lages mikrohull.

En membran består ofte av flere sjikt. Det selektive sjiktet er ofte svært tynt i forhold til den totale tykkelsen av membranen, og legges derfor oppå ett eller flere støttesjikt av materiale med gradvis større porer. Det innerste støttesjiktet kan være et perforert lag av for eksempel metall eller kunststoff.

Radialtrykket i ulike brønner kan være forskjellig, og trykket kan endres i løpet av produksjons-tiden. Radialtrykket på membranen vil imidlertid i de aller fleste horisontale brønner være lavere enn tilsvarende trykk i vertikale brønner. Det stilles derfor større krav til materialet i membranen eller det indre støtterøret, med hensyn på egenskaper for å opprettholde den gitte form, i de tilfeller anordningen i samsvar med foreliggende oppfinnelse skal benyttes i vertikale borehull i forhold til horisontale borehull.

Med radialtrykk er det i denne sammenhengen ment trykkforskjellen mellom trykket ved veggen i borehullet og trykket inne i produksjonsrøret, i retning tilnærmet vinkelrett på lengde-utstrekningen av produksjonsrøret.

Ved bruk av en separasjons-anordning i samsvar med foreliggende oppfinnelse i horisontale brønner, kan separasjonsanordningen av olje og vann strekke seg i hele lengde-utstrekningen av brønnen, som i enkelte tilfeller kan være opptil en kilometer eller lenger. Hele eller deler av membranen vil i de fleste tilfeller være i direkte kontakt med oljefasen, og olje kan dermed passere gjennom membranen uten at den må være i kontakt med vann.

Eksempel

Anordningen i samsvar med foreliggende oppfinnelse vil i det følgende beskrives med henvising til figurer, hvor

figur 1 viser en vanndråpe på overflata av et nesten fullstendig hydrofobt materiale,

figur 2 viser en utførelse av en anordning i samsvar med foreliggende oppfinnelse,

figur 3 viser en skisse av et system for produksjon av olje ved bruk av en separasjons-anordning for olje og vann, i samsvar med foreliggende oppfinnelse, og

figur 4 viser en skisse av et system for reinjisering av vann, fortrinnsvis tilsatt et rensemiddel for rensing av membranen i anordningen i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

For at vann 1 skal kunne trenge inn i en oljefylt pore 2 i et porøst hydrofobt materiale 3, må overtrykket i vannfasen 1 i forhold til oljen 2 være større enn Ap gitt ved

hvor y er grenseflatespenningen mellom olje og vann og (|> er kontaktvinkelen mellom olje 2, vann 1 og det porøse materialet 3, og r er poreradien til det porøse materialet 3. Dette er vist i figur 1.

For et fullstendig oljefuktende materiale 3 vil kontaktvinkelen være nær 180°, dvs. cosfy blir svært lik minus en. Dette prinsippet kan utnyttes til å separere olje og vann forutsatt at oljen produseres gjennom et porøst materiale med små nok porer til at nødvendig høyt inntrengningstrykk for vann oppnås.

Separasjon av olje og vann i et borehull oppnås i samsvar med det ovenstående, med en anordning i samsvar med foreliggende oppfinnelse. I utførelsen vist i figur 2, omfatter anordningen en indre mekanisk støtte 4, som er hul og forsynt med perforeringer (ikke vist), f.eks. et perforert rør. Materialet og tykkelsen 5 av veggen i den indre støtten 4 må velges slik at støtten 4 blir tilstrekkelig stiv til å holde formen ved de forhold som råder i produksjonssonen 7.

Yttersiden av den mekaniske støtten 4 er belagt med en hydrofob membran 3 eller et annet selektivt fuktende materiale. Den indre støtten 4 med membranen 3 på yttersiden, blir plassert inne i et borehull 6, i produksjonssonen. I øvre ende av produksjonssonen 7 er den indre støtten 4 med membranen 3 festet til et konvensjonelt produksjonsrør 8 som fører oljen til overflata. Produksjonssonen 7 er avstengt fra det øvrige borehullet 6 i øvre ende, ved hjelp av pakninger 16 for å unngå at reservoarfluider skal strømme til overflata i området mellom borehullet 6 og produksjonsrøret 8.

Helt eller tilnærmet vannfri olje strømmer gjennom membranen 3, og inn i den mekaniske støtten 4, som transporterer oljen til overflata. I en alternativ anordning, ikke vist, blir selve membranen framstilt av et materiale som er så stivt at en indre perforert støtte ikke er nødvendig.

I tilfeller hvor bergarten i reservoaret er ustabil, kan det plasseres et foringsrør 9 mot formasjonen. Dette røret perforeres i produksjonssonen 7 slik at reservoarfluider kan strømme inn i røret, og i en deponeringssone 10 hvor vann kan strømme ut av borehullet 6. Det oppstår et rom, i det følgende kalt ringrom 11, enten mellom foringsrøret 9 og membranen 3, eller membranen 3 og veggen i borehullet 6. Det kan også være andre forhold som gjør det fordelaktig å plassere et ytre rør, for eksempel et foringsrør som er perforert i det minste i produksjonssonen og deponerings-sonen, i borehullet.

I enkelte tilfeller kan det være aktuelt å fylle opp ringrommet 11 med et kornet, oljefuktende materiale. Dette er for å sikre kapillær kontinuitet mellom reservoaret og membranen 3 i anordningen i samsvar med foreliggende oppfinnelse. På denne måten vil oljen ledes lettere mot membranen 3, selv om ringrommet 11 er hovedsakelig fylt med vann.

Rundt den hydrofobe membranen 3 kan det legges en beskyttende duk 12 av metall eller annet egnet materiale, blant annet for å hindre at membranen 3 blir ødelagt. Den beskyttende duken 12 vil også gi membranen 3 fysisk støtte ved en eventuell renseprosess, samt ved montering av separasjonsanordningen.

Produksjonsrøret 8 holdes i ønsket posisjon, fortrinnsvis i senter, i borehullet 6 av støtteringer (ikke vist) som ligger mellom borehullet og produksjonsrøret. I de tilfeller borehullet 6 er forsynt med et foringsrør 9, vil støtteringene ligge mellom foringsrøret 9 og produksjonsrøret 8.1 produksjonssonen vil ringene ligge mellom den beskyttende duken 11 og foringsrøret 9, eller i de tilfeller membranen 3 ikke er forsynt med en beskyttende duk, mellom foringsrøret 9 og membranen 3. Slike ringer kan plasseres med ønsket avstand.

Vannet som strømmer inn mot produksjonssonen kan pumpes inn i et vannførende geologisk lag (en akvifer), en deponeringssone 10, vist i figur 3. For transport av vannet kan det plasseres en pumpe nede i brønnhullet, som fører vannet ut av produksjonssonen 7 og inn i for eksempel deponerings-sonen 10. Dette er imidlertid ikke noen god løsning, fordi det medfører at bevegelige og forholdsvis plasskrevende deler må føres ned i borehullet 6. En bedre løsning vil være å plassere en pumpe 17 umiddelbart ved åpningen av borehullet, dvs på havbunnen eller jordoverflata. En slik pumpe kan ta større plass, og blir forholdsvis enkel å vedlikeholde og reparere sammenlignet med pumper som er ført ned i borehullet 6.

I det siste tilfellet, må et ytterligere rør i tillegg til produksjonsrøret føres ned i borehullet. Dette røret, i det følgende kalt deponeringsrøret 13, kan enten transportere vann fra produksjonssonen, eller til deponeringssonen. I det viste tilfellet i figur 3, munner ringrommet 11 i produksjonssonen 7 ut i deponeringsrøret 13, og vannet føres opp gjennom røret, til pumpen 17. Fra pumpen 17 føres vannet, via rør 14, ned i den øvre delen av borehullet, mellom foringsrøret 9, og produksjonsrøret 8 og deponeringsrøret 13, og deretter ut i deponeringssonen 10.

Forurensinger, faste partikler så som sand, leire og lignende vil kunne settes seg fast på overflata av membranen 3, og vil over tid redusere oljefluksen. Dette er et fenomen som oppstår ved de fleste membranprosesser og krever vedlikehold. For dette formål kan det benyttes kjente teknikker. I samsvar med foreliggende oppfinnelse er det framskaffet en kombinasjon av et enkelt system for periodisk rengjøring av membranen, og pumpen 17 som fører vann fra produksjonssonen 7 til en deponeringssone 10 ved normal drift, en skisse av systemet er gitt i figur 4.

Når membranen skal rengjøres, må oljeproduksjonen stanse og vann (sjøvann) pumpes inn på innsiden av oljeproduksjonsrøret 8 ved hjelp av ei pumpe 17. Dersom trykket i vannet inne i produksjonsrøret 8 blir tilstrekkelig høyt, kan overtrykket i vannfasen 1 i forhold til oljen 2 bli større enn Ap i formel (1), og dermed vil vannet 1 slippe ut av produksjonsrøret 8 gjennom membranen 3

(se figur 1). Vannet vil på denne måten rengjøre porene, og oljefluksen vil heves til et akseptabelt nivå.

Dersom vannet som injiseres i produksjonsrøret 8 tilsettes et rensemiddel 15, vil grenseflatespenningen, tilsvarende y i formel (1) avta, og det nødvendige trykket for å presse vann ut gjennom membranen 3 vil bli lavere. Membranen vil på tilsvarende måte som ovenfor spyles ren slik at oljefluksen øker til et akseptabelt nivå.

Med rensemiddel er det i denne sammenhengen ment ethvert tilsetningsstoff som vil senke grenseflatespenningen tilstrekkelig, slik at vann kan trenge gjennom den hydrofobe membranen, og rengjøre den.

Etter at tilstrekkelig vann, eventuelt med rensemiddel 15, for eksempel tensider, så som etoksylerte alkylsulfonater, er injisert i produksjonsrøret 8, kan fluidene i brønnens ringrom 11 pumpes inn i deponerings-sonen 10, akviferen, ved bruk av det samme systemet som transporterer vekk vann som kommer inn i produksjonssonen 7. Etter rense-prosessen, vil det også være noe vann i produksjonsrøret 8, og før normal oljeproduksjon kan gjenopptas må også dette vannet fjernes.

Produksjonsrøret 8 kan utformes med en ventil-justert avgreining 16 i den øvre enden. Oljen som føres opp fra reservoaret vil, når normal oljeproduksjon er gjenopprettet, skyve vannet som er igjen etter rense-prosessen i produksjonsrøret 8, foran seg, og dette vannet tappes av i forgreiningen 16, ved at en første andel av de produserte fluidene tas ut. Når det er tilnærmet ren olje i produksjonsrøret 8, stenges ventilen, og oljen føres på vanlig måte opp til produksjons-stedet.

Vannet som er igjen i produksjonsrøret 8 etter renseprosessen kan også presses ut til ringrommet 11 ved hjelp av olje fortrinnsvis fra en buffertank (ikke vist på figuren). Denne oljen vil da presse vannet ut i ringrommet 11, og når vanlig produksjon gjenopptas, vil oljen strømme gjennom membranen 3 mens vannet blir igjen i ringrommet 11, og transporteres tilslutt ut i deponeringssonen 10.

Rensesyklusen som beskrevet ovenfor kan gjennomføres ved hjelp av en prosesspumpe 17 og et sett av styrbare ventiler som skissert i Figur 4. Den konkrete utformingen av rensesystemet vil være et optimaliseringsspørsmål, og det kan f.eks. være aktuelt å bruke flere pumper, sensorer og styresystem. Hele renseanlegget plasseres på overflata eller havbunnen. For vedlikehold kan enten enkeltkomponenter eller hele systemet byttes ut.

I det følgende vil oppfinnelsen illustreres med henvisning til et laboratorie forsøk.

En hydrofob membran som var oljefuktende, en PTFE membran (polytetrafluoretylen) fra Cole-Parmer, 0,2 mikrometer (porestørrelse), ble satt inn i en vanlig filtreringsoppsats. Oppsatsen var tilkoblet en erlenmeyer-kolbe som igjen var tilkoblet en vannstrålepumpe for tilnærmet vakuum i kolben. Vann og lampeparafin tilsatt et fargestoff, ble satt i kontakt med membranen, idet vannet og parafinen dannet to lag, hvor vannet utgjorde det nedre laget.

I de tilfeller der bare vann var i kontakt med membranen strømte det ingen væske gjennom den.

Filtreringsoppsatsen ble stilt på skrå, eller arrangert på annen måte, slik at både parafin og vann var i direkte kontakt med membranen. Parafinen strømte gjennom membranen mens vannet ble holdt tilbake, og denne strømningen fortsatte så lenge parafinen var i kontakt med membranen. Minimale mengder vann trengte gjennom noen store porer, hvor inntregningstrykket hadde vært mindre eller lik differensialtrykket over membranen som var nær en bar i forsøket.

Det vil forstås av fagpersoner at den foreliggende oppfinnelsen ikke bare begrenses til hva som hovedsakelig er vist og beskrevet ovenfor. Oppfinnelsen omfatter også kombinasjoner og under-kombinasjoner av de beskrevne trekkene, samt modifiseringer og variasjoner av dette som er opplagte for en person som kjenner teknikkens stand, som faller innen ramma for de følgende krav.

Claims (11)

1. Separasjons-anordning for olje og vann plassert i en produksjonssone (7) i et borehull (6) i et reservoar, hvor det benyttes en selektiv membran (3), idet anordningen i øvre ende er forbundet til et produksjonsrør (8) som fører oljen opp til et uttakssted, og hvor det eventuelt finnes midler for å regulere trykket i borehullet slik at tilstrømning av reservoarfluider til borehullet (6) sikres,karakterisert vedat den i produksjonssonen (7) omfatter en hydrofob membran (3) som er selektiv for olje, idet membranen (3) er innrettet for å tåle det radialtrykk som oppstår ved oljeproduksjon i produksjonssonen.

2. Anordning i samsvar med krav 1,karakterisert vedat membranen (3) omslutter et indre perforert støtterør (4), hvor støtterøret (4) er innrettet for å tåle det radialtrykk som oppstår ved oljeproduksjon i produksjonssonen (7), og membranen (3) hviler mot dette.

3. Anordning i samsvar med krav 1,karakterisert vedat membranen (3) er av et materiale som er stivt nok til å tåle det radialtrykk som oppstår ved oljeproduksjon i oljesonen.

4. Anordning i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat anordningen videre omfatter et ytre rør (9) inntil reservoar-veggen, slik at det dannes et ringrom (11) mellom det ytre røret (9) og membranen (3), røret (9) er perforert i det minste i produksjonssonen (7) og en deponeringssone (10).

5. Anordning i samsvar med krav 4,karakterisert vedat det ytre røret (9) er et foringsrør.

6. Anordning i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat membranen (3) er omsluttet av et perforert lag (12) for beskyttelse, fortrinnsvis et gitter.

7. Anordningen i samsvar med et av de foregående krav,karakterisert vedat rommet (11) mellom reservoarveggen og membranen (3), eller mellom foringsrøret (9) og membranen (3), eller mellom foringsrøret (9) og den beskyttende duken (12) eller mellom reservoarveggen og den beskyttende duken (12), er fylt med et kornet oljefuktende materiale.

8. Framgangsmåte for produksjon av tilnærmet vannfri olje fra et reservoar som i det minste inneholder olje og vann, omfattende anbringelse av et produksjonsrør (8) som strekker seg gjennom et borehull (6), og eventuell justering av trykket i borehullet slik at reservoar-fluidene trekkes inn i borehullet (6), gjennom perforeringene i det ytre røret (9),karakterisert vedat produksjonsrøret (8) i produksjonssonen (7) kobles til en separasjons-anordning i samsvar med kravene 1-7.

9. Framgangsmåte i samsvar med krav 8,karakterisert vedat vann pumpes, med en pumpe (17) ned i produksjonsrøret (8), for rensing av membran (3).

10. Framgangsmåte i samsvar med krav 9,karakterisert vedat vannet er tilsatt rensemiddel (15).

11. Framgangsmåte i samsvar med et av kravene 8-10,karakterisert vedat vann i ringrommet (11) transporteres til en deponeringssone (10) via en pumpe som fortrinnsvis er plassert på overflata ved borehullet (6).