NO330791B1 - Fremgangsmate og anordning for produksjon av gass og olje fra en underjordisk sone til overflaten gjennom en bronnboring - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område.

Foreliggende oppfinnelse angår separering og komprimering av en del av gassen fra olje- og gasstrømmen som produseres fra en underjordisk sone og produksjon av den komprimerte gassen til overflaten for behandling og/eller reinjisering, og angår i ett aspekt en fremgangsmåte og en anordning nede i hull for separering av en del av gassen fra gass- og oljestrømmen, komprimering av gassen og deretter produksjon av den komprimerte gassen gjennom brønnåpningen eller i en separat strømningsbane til overflaten, for behandling og/eller reinjisering i en annen brønn.

Bakgrunn.

Det er velkjent at mange hydrokarbonreservoarer produserer ekstremt store volumer av gass sammen med råolje og andre væsker. På slike produksjonsfelter er det ikke uvanlig å oppleve forhold mellom gass og olje så høye som 700 nm<3>pr. fat eller større. Som et resultat må store volumer av gass separeres fra væskene før væskene transporteres til lagring eller fortsatt behandling eller bruk. Når produksjonsstedene er nær eller i nærheten av store markeder, betraktes denne gassen som et verdifullt bidrag når behovene for gass er store. Når imidlertid behovene er små eller når produksjonsreservoaret befinner seg i et fjerntliggende område, kan store volumer av produsert gass bety store problemer, ettersom produksjonen vil måtte avbrytes eller i det minste reduseres drastisk dersom den produserte gassen ikke kan fjernes i tide og på passende måte.

I områder der vesentlige volumer av den produserte gassen ikke kan markedsføres eller utnyttes på annen måte er det vanlig å reinjisere gassen i en passende underjordisk formasjon. Det er for eksempel velkjent å injisere gassen tilbake i en overliggende gass-sone som vanligvis ligger over en produksjonssone i et reservoar for å opprettholde trykket i reservoaret og derved øke den samlede væskeutvinningen fra dette. Ved andre anvendelser kan gassen injiseres i en produserende formasjon gjennom en injeksjonsbrønn for å drive hydrokarbonene foran gassen mot en produksjonsbrønn. Dessuten kan den produserte gassen injiseres og "lagres" i en passende underjordisk, permeabel formasjon, fra hvilken den kan gjenvinnes senere når forholdene tillater det.

For å reinjisere gassen må store og kostbare anlegg for separering og kompresjon på overflaten bygges ved eller nær produksjonsstedet. En vesentlig økonomisk betraktning for slike anlegg er de forholdsvis høye omkostninger for kjeden av gasskompressorer som trengs for å komprimere de store volumer av produsert gass til de trykkene som kreves for injisering. Som det vil forstås kan betydelige besparelser oppnås dersom kravene til gasskompressorer kan minskes eller elimineres. For å oppnå dette er det imidlertid nødvendig enten å heve trykket i gassen ved overflaten ved hjelp av ett eller annet middel i stedet for mekanisk kompresjon, eller å minske trykket som kreves ved overflaten for injisering av gassen i et hull.

Forskjellige fremgangsmåter og anordninger har vært foreslått for å minske noen av trinnene ved separering og behandling som normalt kreves ved overflaten for å behandle og/eller reinjisere i det minste en del av den produserte gassen. Alle disse fremgangsmåter innebærer separering av i det minste en del av den produserte gassen fra produksjonsstrømmen i hullet og deretter behandling av den separerte gassen og resten av produksjonsstrømmen adskilt fra hverandre.

For eksempel innebærer en slik fremgangsmåte anbringelse av en "skrue"-separator nede i hullet i en produksjonsbrønnboring for å separere en del av gassen fra produksjonsstrømmen når strømmen strømmer oppover gjennom brønnboringen; se US-ps 5 431 228 utgitt 11. juli 1998. Både resten av produksjonsstrømmen og den separerte gassen strømmer til overflaten gjennom separate strømningsbaner, der hver av disse behandles hver for seg. Mens denne separeringen av gass nede i hullet minsker mengden av separasjon som ellers ville kreves ved overflaten, krever gassen som er separert nede i hullet allikevel den samme grad av kompressoreffekt ved overflaten for å behandle/- reinjisere gassen som den som ville kreves dersom all gassen i produksjons-strømmen hadde blitt separert på overflaten.

En annen anordning som innebærer separering av gass fra en produksjonsstrøm nede i hullet er beskrevet i US-ps 5 794 697 utgitt 18. august 1998, idet en kompressor for behandling og reinjisering er anbrakt nede i hullet i brønnboringen. Kompressoren omfatter en skrueseparator som først separerer i det minste en del av gassen fra produksjonsstrømmen og deretter komprimerer den separerte gassen ved at den passerer gjennom en kompressor, som i sin tur drives av en turbin. Resten av produksjonsstrømmen ledes gjennom turbinen og virker som drivfluid for denne. Den komprimerte gassen produseres ikke til overflaten, men injiseres i stedet direkte fra kompressoren og inn i en annen formasjon (f.eks. øvre gasslag) nær brønnboringen.

Når den separerte gassen kan benyttes eller markedsføres eller når det ikke er noen formasjon i produksjonsbrønnen for injisering av gassen er det ønskelig å bringe den komprimerte gassen til overflaten for fortsatt behandling eller for injisering i en annen injeksjonsbrønn.

SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN.

Målet med foreliggende oppfinnelse oppnås ved en fremgangsmåte for produksjon av en blandet strøm av gass og olje til overflaten fra en underjordisk sone gjennom en brønnboring som omfatter en rørstreng, hvilken fremgangsmåte omfatter separering av i det minste en del av gassen fra den blandede strømmen av gass og olje nede i hullet når den blandede strømmen strømmer oppover gjennom brønnboringen, komprimering av denne delen av den separerte gassen nede i hullet for å øke trykket i denne og føring av både den komprimerte gassen og resten av strømmen av gass og olje til overflaten gjennom separate strømningsbaner i brønnboringen, idet de separate strømningsbaner omfatter rørstrengen som resten av strømmen av gass og olje strømmer gjennom og et ringrom dannet mellom rørstrengen og brønnboringen, gjennom hvilket den komprimerte gassen strømmer, anbringelse av en behandlings- og reinjiseringskompressor i hullet for separering og komprimering av i det minste en del av gassen fra strømmen av gass og olje, kjennetegnet ved at kondensat fjernes ved overflaten før reinjisering i en annen brønn, og at den komprimerte gassen reinjiseres fra overflaten inn i en separat brønnboring for avhendelse.

Foretrukne utførelsesformer av fremgangsmåten er videre utdypet i kravene 2 og 3.

Videre oppnås målene med foreliggende oppfinnelse ved en anordning for produksjon av blandet strøm og gass og olje fra en underjordisk sone sone til overflaten gjennom en brønnboring, hvilken anordning omfatter en rørstreng anbrakt i brønnboringen og forløpende til overflatesonen, idet et ringrom er dannet mellom rørstrengen og brønnboringen, en separator som befinner seg nede i hullet i rørstrengen og er innrettet til å separere i det minste en del av gassen fra strømmen av gass og olje når strømmen strømmer oppover gjennom rørstrengen, en kompressor som befinner seg nede i hullet inne i rørstrengen og er innrettet til å motta den separerte gassen fra separatoren og å komprimere den separerte gassen, og midler for fluidkommunikasjon mellom kompressoren og ringrommet, slik at komprimert gass som strømmer fra kompressoren vil strømme til overflaten gjennom ringrommet, omfattende utstyr på overflaten innrettet til å motta den komprimerte gassen fra ringrommet for fortsatt behandling av den komprimerte gassen og omfattende midler for å føre komprimert gass fra brønnen sammen med komprimert gass fra andre brønner, og midler for reinjisering av den sammenførte komprimerte gassen i en separat brønnboring, kjennetegnet ved at kondensat fjernes ved overflaten før reinjisering i en annen brønn, idet separatoren er en skrueseparator, og idet kompressoren omfatter en kompressorseksjon innrettet til å motta den separerte gassen fra skrueseparatoren, og en turbinseksjon innrettet til å motta resten av strømmen av gass og olje, idet resten av strømmen av gass og olje kan ekspandere gjennom turbinen for derved å drive kompressorseksjonen.

Fortrinnsvis er midlene for å separere og komprimere i det minste en del av gassen nede i hullet en underjordisk behandlings- og reinjiseringskompressor nede i hullet, med en skrueseparatorseksjon for separering av gassen, en kompressorseksjon for komprimering av den separerte gassen og en turbinseksjon for å drive kompressorseksjonen. Den komprimerte gassen produseres til overflaten, der den kan behandles videre for salg eller bruk (f.eks. kan mer kondensat fjernes fra gassen) eller den kan reinjiseres i en separat brønnboring for avhendelse eller lignende. I noen tilfeller kan den komprimerte gassen fra flere brønnboringer blandes sammen før gassen reinjiseres i en separat brønnboring.

Ved separering og komprimering av i det minste en del av den produserte gassen og deretter å bringe den komprimerte gassen til overflaten kan det oppnås flere fordeler i forhold til bruken av en skrueseparator eller en behandlings- og reinjiseringskompressor. For det første trenger ikke den separerte gassen, som er komprimert nede i hullet av behandlings- og reinjiseringskompressoren, å reinjiseres direkte i en formasjon som ligger nær den samme brønnboringen som strømmen produseres fra, slik som i den normale driftsprosedyren som foreslås for kjente operasjoner med behandlings- og reinjiseringskompressor. Ved å bringe den komprimerte gassen til overflaten kan den komprimerte gassen reinjiseres i en separat brønn for avhendelse. Dessuten er den komprimerte gassen, når den befinner seg på overflaten, tilgjengelig for bruk på stedet (f.eks. brennstoff, drift av turbiner, osv.), eller den kan om nødvendig komprimeres videre og ledes i rørledninger til markedet. I alle tilfeller kan kompressoreffekten som normalt kreves ved overflaten minskes betydelig.

Ved å bringe den separerte gassen, som blir oppvarmet når den komprimeres, til overflaten gjennom ringrommet i brønnen, strømmer den parallelt med resten av strømmen av gass og olje i rørstrengen, som har blitt avkjølt når den ekspanderer gjennom turbinseksjonen i behandlings- og reinjiseringskompressoren. I tidligere anvendelser av behandlings- og reinjiseringskompressor kan denne avkjølte strømmen ha en tendens til å danne uønskede hydrater, osv. når den strømmer opp gjennom rørstrengen. De to parallelle strømningsbaner i henhold til den foreliggende oppfinnelse virker som en varmeveksler mellom de respektive strømmer og modererer derved temperaturene i begge strømmer. Dessuten kan kondensat fjernes fra den komprimerte gassen ved bruk av vanlig overflateutstyr før gassen benyttes, markedsføres eller reinjiseres i en brønn, men i andre utførelser kan den komprimerte gassen fra flere produksjonsbrønner føres sammen eller ledes gjennom en felles ledning før den komprimerte gassen behandles videre og/eller reinjiseres.

KORTFATTET FORKLARING AV TEGNINGENE.

Konstruksjonen, driften og fordelene ved den foreliggende oppfinnelse vil forstås bedre med henvisning til tegningene, som ikke nødvendigvis er i målestokk og på hvilke like henvisningstall angir like deler. Fig. 1 viser skjematisk en brønn som er utstyrt i henhold til systemet til bruk nede i hull, i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Fig. 2er et forstørret lengdesnitt gjennom separatoren/kompressoren i anordningen nede i hullet vist i fig. 1. Fig. 3 vise r skjematisk hvordan gassen som separeres nede i hullet i en produksjonsbrønn behandles på overflaten før den reinjiseres i en injeksjonsbrønn. Fig. 4viser skjematisk flere produksjonsbrønner som er sammenkoblet for å mulig-gjøre felles behandling av gassen som separeres nede i hullet fra hver av brønnene.

BEST KJENTE UTFØRELSESFORM FOR UTFØRELSE AV OPPFINNELSEN.

Med nærmere henvisning til tegningene viser fig. 1 en produksjonsbrønn 10 som har en brønnboring 11 som forløper fra overflaten 12 og inn i og/eller gjennom en produksjonssone 13. Som vist i fig. 1 er brønnboringen 11 foret med en foringsstreng 14 til et punkt like over sonen 13. En foring 15 eller lignende er opphengt fra den nedre enden av foringen 14 og har flere åpninger 16 nær produksjonssonen 13, for å muliggjøre strømning av fluider fra sonen 13 og inn i brønnboringen. Mens dette er en velkjent måte å klargjøre en brønn, vil det forstås at andre like velkjente teknikker kan benyttes uten å avvike fra den foreliggende oppfinnelse: for eksempel kan brønnboringen 11 fores i hele lengden og deretter perforeres nær sonen 13, eller den kan klargjøres med "åpent hull" nær sonen 13, osv.

En rørstreng 18 er anbrakt inne i foringen 14 og forløper fra overflaten hovedsakelig i hele lengden av foringen 14 og inn i eller til like over toppen av foringen 15. Som vist kan diameteren til den nedre enden av røret 18 (dvs. "rørhalen") være minsket og er tilpasset til å holde en pakning 19, som når den er montert sperrer for strømning gjennom ringrommet 20, som i sin tur er dannet mellom røret 18 og foringen 14. En behandlings- og reinjiseringskompressor 25 under overflaten befinner seg inne i røret 18 over rørhalen eller den nedre enden. Behandlings- og reinjiseringskompressoren 25 består hovedsakelig av tre seksjoner; en skrueseparatorseksjon 26, en kompressorseksjon 27 og en turbinseksjon 28. Pakninger 21, 22 befinner seg i innbyrdes avstand på behandlings- og reinjiseringskompressoren 25, for et formål som skal beskrives i det følgende.

Med henvisning til fig. 2 består skrueseparatorseksjonen 26 hovedsakelig av et midtre rør 29 som har et skruelignende blad 30 (bare et parti av dette er vist). Skrueseparatoren 26 separerer i det minste en del av gassen fra en blandet strøm av væske og gass når denne strømmer fra sonen 13 og følger den skrueformede strømningsbanen som dannes av skruebladet 30. Væsken (f.eks. olje og eventuelt vann) i strømmen drives til utsiden av bladet av sentrifugalkraft, mens i det minste en del av gassen separeres fra strømmen og holder seg nær veggen til det midtre røret. Når strømmen kommer til enden av bladet 30 vil den separerte gassen (piler 32 i fig. 2) strømme gjennom en innløpsåpning 30 i røret, mens væsken og gjenværende gass vil fortsette å strømme langs utsiden av røret (piler 33 i fig. 2).

Skrueseparatorer av denne typen er kjent på området og er beskrevet og omtalt i US-PS 5 431 228 utgitt 11. juli 1995, og som inntas her med referanse. For videre omtale av oppbygningen og driften av slike separatorer henvises til "New Design for Compact-Liquid Gas Partial Separation; Down Hole and Surface Installations for Artificial Lift Applications", Jean S. Weingarten m.fl., SPE 30637, presentert 22.-25. oktober 1995 i Dallas, Texas.

Den separerte gassen 32 strømmer nå opp gjennom innsiden av det midtre røret

29 og inn i innløpet til kompressorseksjonen 27, der den komprimeres før den strømmer ut gjennom utløpet 35 som komprimert gass 32c, inn den isolerte seksjonen 36 av røret 18 som avgrenses av pakningene 21, 22. Den komprimerte gassen 32 fra den isolerte seksjonen 36 strømmer gjennom en åpning eller åpninger 37 i røret 18 og inn i ringrommet 20 i brønnen (fig. 1). Den separerte gassen strømmer oppover til overflaten gjennom ringrommet 20 og inn i ledningen 40 for transport til markedet, bruk på brønnstedet eller for reinjisering i en brønn, slik det skal forklares nærmere i det følgende.

Den gjenværende strømmen av olje og eventuelt useparert gass (piler 33) forsetter å strømme oppover fra separatoren 26, gjennom bypass'er rundt kompressorutløpet 35 (ikke gitt tall av hensyn til oversikten) og inn i innløpet til turbinseksjonen 28. Den gjenværende strømmen 33 er under høyt trykk som vil drive turbinen 28t når den ekspanderer gjennom denne inn i turbinutløpet 28o. Turbinen 28t driver i sin tur kompressoren 27, slik det vil forstås. Behandlings- og reinjiseringskompressoren som er beskrevet ovenfor er velkjent og fullstendig beskrevet og omtalt i US-PS 5 794 697 utgitt 18. august 1998.

Det vil forstås at den gjenværende strømmen av olje og gass 33e vil kjøles betydelig når den ekspanderer gjennom turbinen 28t. Ved andre anvendelser av behandlings- og reinjiseringskompressorer kan denne kjølte strømmen 33e ha en tendens til å danne hydrater, osv. når den strømmer opp gjennom røret 18, hvilket kan ha skadelige virkninger på hele produksjonen. Ved den foreliggende oppfinnelse strømmer den separerte gassen 32c som oppvarmes når den komprimeres, gjennom ringrommet 20 parallelt med strømningen av den kalde ekspanderte strømmen 33e i røret 18. De to parallelle strømningsbaner virker som en varmeveksler mellom de respektive strømmer, og holder derved temperaturene i begge strømmer på akseptable nivåer.

Ved å separere og komprimere i det minste en del av den produserte gassen før den komprimerte gassen bringes til overflaten oppnås flere fordeler i forhold til bruken av en skrueseparator alene eller andre tidligere anvendelser av en behandlings- og reinjiseringskompressor. For det første trenger ikke den komprimerte gassen å injiseres i en formasjon som ligger nær den samme brønnboringen (dvs. produksjonsbrønnboringen), slik det har vært vanlig ved tidligere operasjoner med produksjons- og reinjiseringsprosessorer, men kan i stedet reinjiseres fra overflaten og inn i andre brønner for avhendelse. Dessuten kan den komprimerte gassen benyttes på stedet (f.eks. som drivstoff for å drive turbiner, osv.), eller den kan om nødvendig komprimeres videre og ledes i rørledninger til markedet. I alle tilfeller kan kompressoreffekten på overflaten minskes betydelig.

I noen tilfeller kan også kondensat fjernes fra i det minste en del av den komprimerte gasstrømmen 32c med vanlig overflateutstyr 50 (gassvaskere, turboekspansjons-absorbere, osv; fig. 3) før gassen reinjiseres i injeksjonsbrønnen 56 eller kan passere utenom utstyret 50 gjennom en ledning 60 og injiseres direkte i brønnen 56. Videre kan den komprimerte gassen fra flere produksjonsbrønner (f.eks. brønner 10a, 10b, 10c,fig. 4) ledes sammen gjennom en felles ledning 41 inn i behandlingsutstyr 50 på overflaten (f.eks. gassvaskere, osv.) før reinjisering i en injeksjonsbrønn 55, eller den kan ledes utenom behandlingsutstyret 50 gjennom en ledning 60a og injiseres direkte i brønnen.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for produksjon av en blandet strøm av gass og olje til overflaten (12) fra en underjordisk sone gjennom en brønnboring (11) som omfatter en rørstreng (18), hvilken fremgangsmåte omfatter separering av i det minste en del av gassen fra den blandede strømmen av gass og olje nede i hullet når den blandede strømmen strømmer oppover gjennom brønnboringen (11), komprimering av denne delen av den separerte gassen nede i hullet for å øke trykket i denne og føring av både den komprimerte gassen og resten av strømmen av gass og olje til overflaten (12) gjennom separate strømningsbaner i brønn-boringen (11), idet de separate strømningsbaner omfatter rørstrengen (18) som resten av strømmen av gass og olje strømmer gjennom og et ringrom (20) dannet mellom rørstrengen (18) og brønnboringen (11), gjennom hvilket den komprimerte gassen strømmer, anbringelse av en behandlings- og reinjiseringskompressor (25) i hullet for separering og komprimering av i det minste en del av gassen fra strømmen av gass og olje, karakterisert vedat kondensat fjernes ved overflaten (12) før reinjisering i en annen brønn, og at den komprimerte gassen reinjiseres fra overflaten (12) inn i en separat brønnboring for avhendelse.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat den komprimerte gassen behandles for salg på overflaten (12).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat den komprimerte gassen fra flere brønnboringer (11) føres sammen for reinjisering i en separat brønnboring.

4. Anordning for produksjon av en blandet strøm av gass og olje fra en underjordisk sone til overflaten (12) gjennom en brønnboring (11), hvilken anordning omfatter en rørstreng (18) anbrakt i brønnboringen (11) og forløpende til overflatesonen, idet et ringrom (20) er dannet mellom rørstrengen (18) og brønnboringen (11), en separator (26) som befinner seg nede i hullet i rørstrengen (18) og er innrettet til å separere i det minste en del av gassen fra strømmen av gass og olje når strømmen strømmer oppover gjennom rørstrengen (18), en kompressor (27) som befinner seg nede i hullet inne i rørstrengen (18) og er innrettet til å motta den separerte gassen fra separatoren (26) og å komprimere den separerte gassen, og midler for fluidkommunikasjon mellom kompressoren (27) og ringrommet (20), slik at komprimert gass som strømmer fra kompressoren (27) vil strømme til overflaten (12) gjennom ringrommet (20), omfattende utstyr på overflaten (12) innrettet til å motta den komprimerte gassen fra ringrommet (20) for fortsatt behandling av den komprimerte gassen og omfattende midler for å føre komprimert gass fra brønnen sammen med komprimert gass fra andre brønner, og midler for reinjisering av den sammenførte komprimerte gassen i en separat brønnboring, karakterisert vedat kondensat fjernes ved overflaten (12) før reinjisering i en annen brønn, idet separatoren (26) er en skrueseparator, og idet kompressoren (27) omfatter en kompressorseksjon innrettet til å motta den separerte gassen fra skrueseparatoren, og en turbinseksjon (28) innrettet til å motta resten av strømmen av gass og olje, idet resten av strømmen av gass og olje kan ekspandere gjennom turbinen for derved å drive kompressorseksjonen (27).