NO330922B1 - Anordning og fremgangsmate for fluidseparasjon - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder en anordning for underjordisk separasjon av vann fra et borebrønnfluid i en borebrønn for å produsere olje fra en underjordisk formasjon. Oppfinnelsen gjelder spesielt en borebunn, hvor et borebrønnfluid er separert underjordisk, slik at en oljeberiket komponent til borebrønnfluidet er produsert til jordoverflaten. Det er forstått at jordoverflaten også kan være bunnen av sjøen.

I beskrivelsen og i kravene, vil uttrykket "borebrønnfluid" bli benyttet for å referere til et fluid som omfatter hydrokarbonolje og vann. Videre vil hydrokarbonolje bli referert til som olje. Borebrønnfluidet kan videre omfatte gasse.

Det er et økende behov for effektiv underjordisk separasjon av vann fra et borebrønnfluid. Ideelt er borebrønnfluidet separert til olje og vann, hvor oljen er tilstrekkelig awannet slik at ingen eller begrenset ytterligere separasjon nær brønnhodet på overflaten er nødvendig forut for transport fra feltet, og hvor vannet har en tilstrekkelig renhet til å tillate injeksjon inn i en underjordisk formasjon.

En slik borebrønn, hvor et borebrønnfluid er separert, strekker seg fra jordoverflaten til en underjordisk produksjonsformasjon som omfatter hydrokarbonolje og vann. Borebrønnen er fremskaffet med et separasjonskammer hvor en olje/vannseparator er anordnet, som omfatter et innløp til å motta borebrønnsfluid, et utløp for en oljeberiket komponent som åpnes inn i borebrønnseksjonen over separasjonskammeret og et utløp for en vannberiket komponent som åpnes inn i en deponeringsborebrønnseksjon under separasjonskammeret.

Den internasjonale patentsøknaden 98/41 304 viser en slik borebrønn som har en horisontal seksjon som omfatter separasjonskammeret.

US patent nr. 5 842 520 og 5 979 559 viser en slik borebrønn, hvor separasjonskammeret er plassert hovedsakelig på samme nivå som produksjonsformasjonen.

Den internasjonale patentsøknaden 98/02 637 viser en slik borebrønn, hvor separasjonskammeret er plassert på nivået til produksjonsformasjonen, og hvor den statiske separatoren er en syklonseparator.

US patent nr. 4 793 408 viser en slik borebrønn, hvor separasjonskammeret er et kammer med liten diameter plassert inne i en seksjon til borebrønnen og som har et sideinnløp for borebrønnfluidet, og hvor separasjonskammeret er fremskaffet med regulatorer for å regulere den uregelmessige uttrekningen av utstrømninger.

US patent nr. 5 443 120 viser en kledd borebrønn som omfatter en separasjonsseksjon i kledningen i nærheten til undergrunnsproduksjonsformasjonen, som er anordnet for å separere minst en del av vannet fra borebrønnfluidet.

US patent nr. 5 897 519 viser en gassløfteborebrønn som omfatter en separator anordnet i ringrommet mellom kledningen og en rørstreng og nærliggende den underjordiske produksj onsformasjonen.

FR patent nr. 2 603 206 beskriver en borebrønn med en olje/vannseparator som er anordnet i et separasjonskammer som har liten diameter. Separatoren omfatter et innløp til å motta borebrønnfluid fra en innløpsborebrønnseksjon under separasjons kammeret, et utløp for en oljeberiket komponent som åpnes inn i borebrønnseksjonen over separasjonskammeret og et utløp for en vannberiket komponent som åpner seg inn i en utløpsborebrønnseksjon under separasjonskammeret.

De kjente systemene lider stort sett fra én eller flere ulemper, som omfatter en utilstrekkelig grad av separasjon, kompleksitet og høye installasjonskostnader, begrenset robusthet, begrenset operasjonsvindu for oljeproduksjonsgjennomstrømningsrater og vannkutt.

I følge oppfinnelsen, løses minst ett av de overnevnte problemer ved en anordning angitt i krav 1 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet, og en fremgangsmåte angitt i krav 15 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en anordning i en borebrønn som tillater effektiv, robust undergrunnseparasjon for borebrønnfluid inn i oljeberikete og vannberikete komponenter.

Det er et annet formål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en borebrønn for å produsere olje fra en underjordisk formasjon til overflaten, hvor oljen kan bli avvannet under overflaten, slik at vannkonsentrasjonen til den produserte oljen er tilstrekkelig lav, slik at ingen eller begrenset videre awanning ved overflaten er nødvendig.

Det er også et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en borebrønn som omfatter et underjordisk separasjonskammer, hvor matingen og de separerte komponentene strømmer vertikalt eller nesten vertikalt inn og ut av separasjonskammeret.

Så langt fremskaffer foreliggende oppfinnelse en anordning for underjordisk separasjon av vann fra et borebrønnfluid i en borebrønn som strekker seg fra jordoverflaten til en underjordisk produksjonsformasjon som omfatter hydrokarbonolje og vann, hvor borebrønnen over produksjonsformasjonen er fremskaffet med et separasjonskammer hvor en statisk olje/vannseparator er anordnet som omfatter et innløp til å motta borebrønnfluid fra en innløpsborebrønnseksjon under separasjonskammeret, et utløp for en oljeberiket komponent som åpnes inn i borebrønnseksjonen over separasjonskammeret, og et utløp for en vannberiket komponent som åpner seg inn i en utløpsborebrønnseksjon under separasjonskammeret, hvor høyden til separasjonskammeret er større enn tykkelsen til dispersjonsbåndet som er dannet i denne under normale driftsforhold, - en stabel med skråstilte plater plassert vertikalt fra hverandre, hvor et separasjonsromm er definert mellom hvert par av nærliggende plater, -et hovedsakelig vertikalt innløpsrør som kommuniserer med separatorens innløp, hvor innløpsrøret føres igjennom stabelen med plater og er anordnet til å motta borebrønn- fluid i sin nedre ende, og er fremskaffet med én eller flere borebrønnfluidutløp, hvor hvert åpner inn i et separasjonsromm, - en hovedsakelig vertikal oljeoppsamlingskanal som har et oljeutløp ved sin øvre ende som kommuniserer med separatorens utløp for den oljeberikete komponenten, hvor oljeoppsamlingskanalen har én eller flere oljeinnløp, hvor hvert oljeinnløp er anordnet til å motta fluid fra den øverste regionen til et separasjonsromm, hvor minst platen umiddelbart under hvert oljeinnløp er fremskaffet med en vertikalt oppover pekende ledeplate, og - en hovedsakelig vertikal vannoppsamlingskanal som har et vannutløp ved sin nedre ende som kommuniserer med separatorens utløp for den vannberikete komponenten, hvor vannoppsamlingskanalen har én eller flere vanninnløp, hvor hvert vanninnløp er anordnet til å motta fluid fra den nederste regionen til et separasjonsromm, hvor minst platen umiddelbart over hvert vanninnløp er fremskaffet med en vertikal nedover pekende ledeplate.

Den statiske separatoren i én spesiell utførelse omfatter videre et strømnings-distribusjonsmiddel, anordnet for å distribuere på en forutbestemt vertikal posisjon borebrønnfluidet mottatt gjennom separatorens innløp over tverrsnittsarealet til separatorkammeret. Separatoren kan videre omfatte et nivådetektormiddel og et gjennomstrømningskontrollmiddel for å kunne opprettholde under normal drift et grensesnitt mellom to væskelag på et forutbestemt nivå.

Uttrykket "høyden til separasjonskammeret" er benyttet i beskrivelsen og i kravene for å referere til den korteste vertikale avstanden mellom utløpet for den oljeberikete komponenten og utløpet for den vannberikete komponenten. Den fysiske høyden til separasjonskammeret kan være større.

Det er videre fremskaffet en fremgangsmåte for å produsere olje fra en underjordisk produksjonsformasjon gjennom en borebrønn i henhold til foreliggende oppfinnelse, hvor fremgangsmåten omfatter stegene med: - å tillate borebrønnfluid inn i separasjonskammeret ved en forutbestemt vertikal posisjon gjennom én eller flere åpninger med en lokal strømningshastighet under 1 m/s; - å tillate borebrønnfluidet å separere inn i et lavere lag med en vannberiket komponent et midtlag med en olje- og vanndispersjonskomponent og et øvre lag med en oljeberiket komponent; - å trekke ut væske fra det øvre laget og å produsere denne væsken til overflaten; - å trekke ut væske fra det nederste laget;

- å måle den vertikale posisjonen til grensesnittet mellom to væskelag; og

- å kontrollere strømningsraten til minst én av det innstrømmende borebrønnfluidet, den utstrømmende vannberikete komponenten eller den utstrømmende oljeberikete komponenten i avhengighet til den målte vertikale posisjonen.

Søkeren har funnet at sett fra et praktisk synspunkt, er det fordelaktig å anordne separasjonskammeret nedstrøms til, og ovenfor produksjonsformasjonen, og at for en slik konfigurasjon er det påkrevd at høyden til separasjonskammeret er større enn tykkelsen til dispersjonsbåndet, som er dannet under normale betjeningsforhold. Deretter, under normal betjening, er et lag av relativt tørr olje dannet over dispersjonsbåndet og et lag av relativt rent vann under dispersjonsbåndet.

Det har videre blitt gjenkjent at ved å separere borebrønnfluidet i et underjordisk separasjonskammer kan man benytte fordelene av de fysiske forholdene i borebrønnen, for eksempel hevet temperatur og trykk, som påvirker separasjonsoppførselen til olje og vann slik at effektiv separasjon av borebrønnfluid inn i relativt tørr olje og relativt rent vann kan bli oppnådd under praktiske og økonomiske mulige forhold. I henhold til et spesielt aspekt til oppfinnelsen, kan effektiviteten til et underjordisk separasjonskammer være forbedret ved å benytte en separator som omfatter en stabel av plater.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der figur 1 viser resultatet til modellkalkulasjonene til separasjonen av et borebrønnfluid i et separasjonskammer med eller uten en installert stabel av plater; figur 2 viser skjematisk en første utførelse av foreliggende oppfinnelse; figur 3 viser skjematisk en andre utførelse av foreliggende oppfinnelsen; figur 4 viser skjematisk en detalj fra andre utførelse til foreliggende oppfinnelse; og figur 5 viser skjematisk separatorregionen til en tredje utførelse av foreliggende oppfinnelsen.

Borebrønnfluid mottatt fra en oljeproduserende borebrønn inneholder vanligvis mer enn 10 volumprosent av høyoppløst vann. Separasjonsoppførselen under innflytelsen av tyngdekraften til en olje/vannoppløsning som inneholder mer enn 10 volumprosent av vann, kan bli beskrevet ved hjelp av en modell. Søkeren har utviklet det såkalte "Dispersion Band Model", se H.G. Polderman og andre, SPE papir nr. 38816, 1997. Modellen kan bli benyttet til å beskrive separasjonen i et separasjonskammer. En viktig mekanisme i separasjonen er basert på sammenvoksingen av små vanndråper i dispersjonsbåndet, som synker til det lavere laget idet dråpene har vokst store nok. Under normal drift er tre væskelag dannet i separasjonskammeret; et nedre lag av relativt rent vann, et midtlag som inneholder en olje- og vannoppløsning og et øvre lag med relativt tørr olje. Det midtre laget er også referert til som dispersjonsbåndet.

Et resultat av denne modellen er en likning for dispersjonsbåndtykkelsen HD (m) som en funksjon av den spesifikke gjennomstrømningen Q/A (m/s), hvor Q er den volumetriske gjennomstrømningsraten gjennom separasjonskammeret til fluidet som skal separeres (m /s), og A er det horisontale tverrsnittsarealet til separasjonskammeret (m ).

Forholdet mellom dispersjonsbåndtykkelsen Hd og den spesifikke gjennom-strømningen Q/A kan bli beskrevet med likningen som har blitt eksperimentelt verifisert

I denne likningen er a og b konstanter som relaterer seg til dispersjonsstabiliteten, og de er en funksjon av bl.a. den kinematiske viskositeten til oljekomponenten, forskjellen i tetthet mellom olje- og vannkomponentene, og dråpestørrelsesdistribusjonen til dispersjonen. For olje som har kinematisk viskositet på 0,001 Pa.s er en stabil dispersjon for eksempelkarakterisert veda = 0,125 s, og b = 0,078 s/m, mens en ustabil dispersjon som separerer lettere, er for eksempelkarakterisert veda = 0,05 s, og b = 0,032 s/m.

Med referanse nå til figur 1, hvor kurve A viser et eksempel på dispersjonsbåndtykkelsen HD (på ordinatet, i meter) som en funksjon av den spesifikke gjennomstrømningen Q/A (på abscisse, i m/s), kalkulert med likningen (1). I kalkulasjonene er det blitt benyttet a = 0,05 s og b = 0,032 s/m.

Dispersjonsbåndtykkelsen HD ved en gitt volumetrisk gjennomstrømningsrate Q og et tverrsnittsareal A, bestemmer minimumshøyden som er nødvendig for et separasjonskammer for at det øvre oljelaget og det nedre vannlaget kan bli dannet med dispersjonsbånd mellom dem. Tilsvarende kan en øvre grense Qmaxfor den volumetriske gjennomstrømningsraten bli kalkulert ved å løse likningen (1) for et gitt tverrsnittsareal og høyde til separasjonskammeret, hvor det er antatt at HD er lik høyden til separasjonskammeret. Den øvre grensen Qmaxdividert på volumet til et separasjonskammer, kan bli sett på som en måling for effektiviteten til separasjonskammeret.

Det vil nå bli vist at effektiviteten til et separasjonskammer vil bli økt ved å installere en stabel av vertikale stigende plater med mellomrom. En slik stabel av vertikale plater plassert fra hverandre er også referert til som en platepakke.

En platepakke deler separasjonskammeret inn i et antall separasjonsrom, hvor rommet begrenset mellom to nærliggende plater, er referert til som et separasjonsrom som har en tykkelse Hp (m). I hvert separasjonsrom er et dispersjonsbånd dannet, og den totale tykkelsen til dispersjonsbåndet er lik summen av tykkelsen av alle individuelle dispersjonsbånd. I en første beregning er den totale tykkelsen til dispersjonsbåndet lik høyden til platepakken (n.Hp) nødvendig til fullstendig til å begrense dispersjonen. HD kan bli beregnet med følgende modifisering av likningen (1):

hvor Hp er den vertikale avstanden mellom nærliggende plater (m), n er antallet av plater anordnet med jevn vertikal avstand i platepakken og hvor de andre symbolene har samme betydning som beskrevet ovenfor.

Kurve B i figur 1 har blitt kalkulert for en platepakke med Hp = 0,3 m, ved å benytte de samme verdiene for a og b som for kalkulasjonen av kurve A. Med Q/A = 0,005 m/s kan dispersjonen bli fullt begrenset innenfor 0,3 m, derved innenfor et enkelt par med plater. Med Q/A = 0,020 m/s kan dispersjonen bli fullt begrenset innenfor 1,5 m, dermed innenfor en stabel med 5 plater som definerer 4 separasjonsrom på 0,3 meters høyde hver seg.

I kontrast gir kurve A ved 0,020 m/s en dispersjonsbåndtykkelse på ca. 2,7 m når ingen platepakke er benyttet. Dette demonstrerer at ved å benytte en platepakke, kan et separasjonskammer med mindre høyde håndtere den samme spesifikke gjennomstrømningen som et stort separasjonskammer uten en platepakke.

Referanse er nå gjort til figur 2, som viser skjematisk en første utførelse av foreliggende oppfinnelse. Borebrønnen 1, som strekker seg fra overflaten 2 til den underjordiske produksjonsformasjonen 4, er fremskaffet med et separasjonskammer 6 som er anordnet i en utvidet seksjon 7 til borebrønnen 1. Separasjonskammeret 6 har et hovedsakelig sirkulært tverrsnitt. Den vertikale veggen 8 til separasjonskammeret 6 er dannet av den omkringliggende formasjonen 9, men det er underforstått at veggen kan også bli fremskaffet med et borebrønnrør, slik som en kledning. Veggen til separasjonskammeret danner også veggen til separatoren.

I separasjonskammeret 6 er det anordnet en olje/vannseparator 10 som omfatter et innløp 12 for å motta borebrønnfluid fra innløpet til borebrønnseksjonen 13 under separasjonskammeret 6. Separatoren 10 omfatter videre et utløp 15 for en oljeberiket komponent som åpner inn i borebrønnseksjonen 16 over separasjonskammeret 6, og et utløp 18 som åpner inn i en uttømningsborebrønnseksjon 19 under separasjonskammeret. Uttømningsborebrønnseksjonen 19 kommuniserer med et vannuttømningssystem. Vannuttømningssystemet omfatter i dette eksemplet en uttømningsborebrønn 20 som er fremskaffet med utløpsmidler 21 til en underjordisk formasjon 22 og en pumpe 23. Vannuttømningssystemet omfatter videre midler til å forhindre vann fra å strømme tilbake inn i separasjonskammeret (ikke vist).

Separasjonskammeret 6 til borebrønnen 1 omfatter en statisk separator 10. Den statiske separatoren 10 omfatter et strømningsdistribusjonsmiddel 24, hvor strømnings-distribusjonsmidlet 24 omfatter et vertikalt innløpsrør 25 som har et innløp på sin nedre ende i kommunikasjon med innløpet 12 for borebrønnfluid til den statiske separatoren 10. Strømningsdistribusjonsmidlet 24 omfatter videre et utløpsrør 26, som er i kommunikasjon med den øvre enden til innløpsrøret 25. Utløpsrøret 26 er fremskaffet med et antall av utløpsåpninger 27 som åpner inn i separasjonskammeret 6 på hovedsakelig samme vertikale posisjon. Et nivådetektormiddel 28 er anordnet for å detektere nivået til et grensesnitt mellom væskelagene, med fordel nivået mellom det nedre og midtre laget. Et signal generert av nivådetektormidlet 28 kan med fordel bli benyttet til å kontrollere strømmen av innstrømmende borebrønnfluid, den utstrømmende vannberikete komponenten avhengig av den målte vertikale posisjonen. For eksempel kan pumperaten til en pumpe 23 til vannuttømningssystemet, som uttømmer den vannberikete komponenten mottatt ved utløpet 18, være kontrollert for å holde den vertikale posisjonen til grensesnittet mellom det nedre og det midtre laget innenfor forutbestemte grenser.

Under normal drift er et borebrønnfluid som omfatter en blanding av olje og vann mottatt fra den underjordiske formasjonen 4 gjennom innløpsmidlene 3, og strømmer langs borebrønnen 1. Borebrønnfluidet til stede i innløpsborebrønnseksjonen 13 under separasjonskammeret kan være fluid direkte produsert fra den underjordiske formasjonen 4, eller kan representere en strøm oppnådd etter en primær separasjon, for eksempel en komponent oppnådd etter fjerning av hovedvannmengden i en horisontal borebrønn-seksjon. Fortrinnsvis inneholder borebrønnfluid som trenger inn i separatoren 10 ved innløpet 12 mellom 10 volumprosent og 80 volumprosent med vann.

Borebrønnfluidet er mottatt av innløpsrøret 25 fra innløpet 12. Borebrønnfluidet er ført inn i separasjonskammeret via åpningene 27 på en forutbestemt vertikal posisjon. På denne måten er relativt lik distribusjon av borebrønnfluidet over tverrsnittsarealet til separasjonskammeret oppnådd som er fordelaktig for en effektiv separasjon. Spesielt kan den lokale strømningshastigheten til det innstrømmende borebrønnfluidet bli holdt under 1 m/s, som er en kritisk verdi for de fleste borebrønnfluider under praktiske forhold hvor ingen effektiv separasjon kan bli oppnådd. Et nedre lag med en vannberiket komponent kan bli dannet, separert med et grensesnitt fra et midtlag av vann- og oljedispersjon (dispersjonsbåndet). Den vertikale posisjonen til grensesnittet kan bli målt av nivådetektormidlet 28, hvor denne målingen kan bli benyttet ved å kontrollere raten av uttømning gjennom utløpet 18, og på denne måten kan grensesnittet bli regulert innenfor forutbestemte grenser. Det kan bli valgt å anordne grensesnittet rett over eller rett under den vertikale posisjonen til utløpene fra strømningsdistribusjonsmidlet 24.

På toppen av dispersjonsbåndet er det dannet et øvre lag av en oljeberiket komponent. Den oljeberikete komponenten strømmer til utløpet 15 og opp til overflaten, hvor det er uttømt ved brønnhodet (ikke vist). Den oljeberikete komponenten omfatter typisk mindre enn 10 volumprosent med vann, fortrinnsvis mindre enn 2 volumprosent, enda mer fordelaktig mindre enn 0,5 volumprosent med vann.

Den vannberikete komponenten strømmer til utløpet 18, hvor det er uttømt via vannuttømningssystemet. Den vannberikete komponenten kan inneholde mellom 0,01 volumprosent og 0,5 volumprosent med olje.

Utløpet 15 er anordnet til å trekke ut væske fra regionen inne i separasjonskammeret 6, hvor det under normal drift er dannet et øvre lag, og utløpet 18 er anordnet til å trekke ut væske fra regionen hvor det nedre laget er dannet. Fortrinnsvis, som i denne utførelsen, er utløpet 15 anordnet til å trekke ut fluid fra den øverste regionen til separasjonskammeret, og utløpet 18 er anordnet til å trekke ut fluid fra den nederste regionen, slik at den fulle fysiske høyden til separasjonskammeret er utnyttet.

Separasjonskammeret 6 er så stort at dispersjonsbåndet som er dannet under normal drift passer helt inn i kammeret 6. Det er hensiktsmessig at forholdet høyden til den effektive diameter til separasjonskammeret er mindre enn 10, fortrinnsvis mindre enn 5, hvor den effektive diameteren er definert som diameteren til en sirkel som har det samme tverrsnittsarealet som separasjonskammeret.

Det er tydelig at én eller flere utløpsrør til fluiddispersjonsmidlet 24 kan bli anordnet i en form som et edderkoppliknende arrangement eller et ringformet arrangement. Fortrinnsvis er utløpsåpningene anordnet slik at de tillater fluidet inn i separasjonskammeret horisontalt og tangensialt i forhold til den ytre veggen 8.

Referanse er nå gjort til figurene 3 og 4, som viser en andre utførelse til foreliggende oppfinnelse. I denne utførelsen omfatter den statiske separatoren 10 ytterligere en stabel av stigende, hovedsakelig flate plater 30, 31, 32 som er anordnet hovedsakelig parallelt til hverandre og vertikalt fra hverandre med en lik avstand. Rommet begrenset mellom to nærliggende plater er referert til som separasjonsrommet. For eksempel, platene 30 og 31 definerer separasjonsrommet 35, platene 31 og 32 definerer separasjonsrommet 36. Under den laveste platen 32 i stabelen av plater er en parallell bunnplate 37 anordnet, hvor den ytre kanten til grunnplaten tettende kommer i kontakt med veggene til separatorkammeret 6. Mellom platen 32 og grunnplaten 37 er ytterligere et separasjonsrom 38 definert.

Stabelen av plater er gjennomboret av innløpsrøret 40 som strekker seg vertikalt oppover fra åpningen 42 gjennom stabelen av plater i senteret til separasjonskammeret 6. Passasjen til innløpsrøret gjennom en plate, for eksempel passasjen 43 gjennom platen 31, er derved anordnet slik at veggen til innløpsrøret 40 tettende passer til platen, for eksempel platen 31, og derved forhindrer fluid kommunikasjon mellom nærliggende separasjonsrom, for eksempel separasjonsrommet 35 og 36, langs innløpsrøret. Videre er innløpsrøret 40 fremskaffet med radiale utløpsåpninger 44, 45, 46, som åpner inn i henholdsvis separasjonsrommene 35, 36, 38. Det er tydelig at flere utløpsåpninger kan bli anordnet som åpner inn i forskjellige radiale retninger. En utløpsåpning er med fordel anordnet i retningen til aksene i det horisontale planet som platene er skråstilt rundt, dvs. i figur 2 en akse vinkelrett til papirplanet.

Ytterligere detaljer rundt de hellende platene vil nå bli beskrevet med referanse til figur 4, hvor platene 31 og 32 til figur 3 er vist skjematisk. Kanten 47 til plate 31 omfatter på den øvre siden 48 til platen 31 en rett kant 49, hvor en oppover pekende ledeplate 50 er festet. På den nedre siden 52 omfatter kanten 47 en rett kant 54, hvor en nedover pekende ledeplate 56 er festet.

Med referanse nå til figur 3, er de andre hellende platene til stabelen av plater tilsvarende fremskaffet med oppover og nedover pekende ledeplater 58, 59, 60, 61 på henholdsvis deres øvre og nedre sider. De gjenværende deler av kanten på hver hellende plate som det ikke er festet noen ledeplate til, er anordnet med tettende kontakt til veggen 8.

Den statiske separatoren 10 omfatter ytterligere en oljeoppsamlingskanal 65, som er dannet av romsegmentet begrenset av de oppover pekende ledeplatene 58, 50, 59, og veggen 8. Den oljeoppsamlende kanalen 65 omfatter oljeinnløp, for eksempel oljeinnløp 70 anordnet for å motta fluid fra den øverste regionen 72 til separasjonsrommet 36. Oljeinnløpet 70 er definert av den øvre kanten 49 til platen 31, og den oppover pekende ledeplaten 59 til platen 32 umiddelbart under oljeinnløpet 70. Den oljeoppsamlende kanalen 65 omfatter videre et utløp 73 i kommunikasjon med utløpet 15 til den statiske separatoren 10.

Motstående til oljeoppsamlingskanalen 65 omfatter separatoren 10 en vannoppsamlingskanal 75, som er dannet med romsegmentet begrenset av de nedover pekende ledeplatene 60, 56, 61, og veggen 8. Vannoppsamlingskanalen 75 omfatter vanninnløpene, for eksempel vanninnløpet 80 anordnet til å motta fluid fra den nederste regionen 82 til separasjonsrommet 35. Vanninnløpet 80 er definert av den nederste kanten 54 til platen 31 og den nedover pekende ledeplaten til platen 30 umiddelbart over vanninnløpet 80. Vannoppsamlingskanalen 75 omfatter videre et utløp 83 i kommunikasjon med utløpet 18 til separatoren 10.

Platene 30, 31 og 32 med de festete ledeplatene er anordnet slik at den korteste horisontale avstand mellom en oppover pekende ledeplate og veggen 8 øker fra bunnen til toppen, og at den korteste horisontale avstanden mellom en nedover pekende ledeplate og veggen 8 øker fra toppen til bunnen. På denne måten øker tverrsnittsarealet til både oljeoppsamlingskanalen 65 og vannoppsamlingskanalen 75 i retningen mot deres respektive utløp 73 og 83. Siden separatoren 10 ikke omfatter deler som er bevegelige under normal drift, representerer den en statisk olje-vann separator.

Under normal drift er et borebrønnfluid som omfatter olje og vann mottatt fra den underjordiske formasjonen 4 gjennom innløpsmidlet 3 og strømmer langs borebrønnen 1. Borebrønnfluid til stede i innløpsborebrønnseksjonen 13 under separasjonskammeret kan være direkte produsert fra den underjordiske formasjonen 4, eller kan representere en strøm oppnådd etter en primær separasjon, for eksempel en komponent oppnådd etter fjerning av hovedmengden av vann i en horisontal borebrønnseksjon. Fortrinnsvis inneholder et borebrønnfluid som trenger inn i den statiske separatoren 10 ved innløpet 12 mellom 10 volumprosent og 80 volumprosent med vann. Borebrønnfluidet trenger deretter inn i innløpsrøret 40 ved åpningen 42, og er tillatt inn i det indre av separatorrommene 35, 36, 38 via utløpsåpningene 44, 45 og 46. Det er funnet at gode separasjons-resultater er oppnådd hvis alle åpningene har det samme tverrsnittsarealet. Gode resultater har ytterligere blitt oppnådd hvis diameteren til åpningene er i størrelsesorden til diameteren til innløpsrøret, slik at trykkfallet over åpningene er liten.

Separasjonen vil nå bli diskutert. Vi skal nå se nærmere på separasjonsrommet 36 mellom platene 31 og 32. I dette separasjonsrommet 36 er tre væskelag dannet, et øvre, oljeberiket lag, et midtdispersjonsbåndlag og et nedre, vannberiket lag. Det oljeberikete laget strømmer mot den øverste regionen 72 til separasjonsrommet 36, hvor det forlater separasjonsrommet for å trenge inn i oljeoppsamlingskanalen gjennom innløpet 70. Det vannberikete laget strømmer mot den nederste regionen 85 til separasjonsrommet 36, hvor det trenger inn i vannoppsamlingskanalen gjennom innløpet 86. Separasjonen i rommene 35 og 38 er tilsvarende.

Oljeoppsamlingskanalen 65 mottar en oljeberiket komponent fra alle separasjonsrommene, og siden tverrsnittet tilkanalen vider seg ut mot utløpet 73, kan den vertikale oppoverstrømningshastigheten til den oljeberikete komponenten i kanalen 54 forbli hovedsakelig konstant. Fra utløpet 73 strømmer den oppsamlete oljeberikete komponenten til utløpet 15 over stabelen av plater, og opp til overflaten hvor den er uttømt ved brønnhodet (ikke vist). Den oljeberikete komponenten inneholder typisk mindre enn 10 volumprosent av vann, fortrinnsvis mindre enn 2 volumprosent, enda mer fordelaktig mindre enn 0,5 volumprosent av vann.

Vannoppsamlingskanalen 75 mottar en vannberiket komponent fra alle separasjonsrommene, og siden dens tverrsnitt utvider seg fra toppen til bunnen mot utløpet 83, kan den vertikale nedoverstrømmende hastigheten til den vannberikete komponenten i kanalen 75 forbli hovedsakelig konstant. Fra utløpet 83 strømmer den oppsamlete vannberikete komponenten til utløpet 18 under stabelen av plater, hvor den er uttømt via vannuttømningssystemet. Den vannberikete komponenten kan inneholde mellom 0,01 volumprosent og 0,5 volumprosent med olje.

Høyden til separasjonskammeret 6, dvs. den korteste vertikale avstanden mellom utløpet til den oljeberikete komponenten 15 og utløpet til den vannberikete komponenten 18, sammenfaller i denne utførelsen med den fysiske høyden til separasjonskammeret 6 i den utvidede seksjonen 7. Stabelen av plater i separasjonskammeret er anordnet for fullt å begrense dispersjonen under normal drift, slik at regionen til separasjonskammeret over stabelen av plater er fylt med den oljeberikete komponenten, og regionen under stabelen av plater er fylt med den vannberikete komponenten. Som beskrevet med referanse til figur 1, kan høyden til stabelen av plater i første tilnærming bli vurdert som tykkelsen til dispersjonsbåndet, siden det er en øvre grense for summen av tykkelse til alle individuelle dispersjonsbånd i separasjonsrommene.

Referanse er nå gjort til figur 5 hvor ytterligere en utførelse av en borebrønn 100 i henhold til foreliggende oppfinnelse vil bli beskrevet. Figur 5 viser skjematisk separasjonskammeret 6 til borebrønnen 100. Deler som er tilsvarende til deler forklart med referanse til figur 3 er referert til med samme referansenumre.

De skråstilte platene 130, 131 og 132, som danner stabelen av plater i den statiske separatoren 110, har formen til traktere med hovedsakelig sirkulært tverrsnitt. Traktene i denne utførelsen er anordnet slik at de smalner fra topp til bunn. Traktene 130, 131 og 132 er stablet parallelt til hverandre med lik avstand og hovedsakelig langs den sentrale aksen 133 til separasjonskammeret 6. Hver trakt er fremskaffet med en sentrert åpning 140, 141 og 142.

Rommet avgrenset mellom to nærliggende trakter er referert til som et separasjonsromm, hvor figur 5 viser separasjonsrommene 144 og 145. Under den nederste platen 132 til stabelen av plater er en horisontal, flat grunnplate anordnet, hvor den ytre kanten til grunnplaten tettende kommer i kontakt med veggene til separasjonskammeret.

Stabelen av plater er gjennomløpt av innløpsrøret 150, som strekker seg vertikalt oppover fra en åpning 152 gjennom den sentrale åpningen til hver av traktene. Innløps-røret 150 omfatter utløpsrørene 154, 155, 156, 157. Hvert av utløpsrørene strekker seg inn til et separasjonsrom hvor det er fremskaffet med en utløpsåpning, utløpsåpningene 158, 159, 160, 161. Det er tydelig at ytterligere utløpsrør og åpninger kan bli anordnet til å åpne inn i forskjellige retninger.

Til hele kanten til den sentrale åpningen for hver trakt er en nedover pekende ledeplate festet, og til hele den øvre kanten av hver trakt er en oppover pekende ledeplate festet. De nedover pekende ledeplatene er skjematisk vist med referansenumrene 170, 171, 172, og de oppover pekende ledeplatene med numrene 174, 175, 176. Den oljeoppbevarende kanalen 178 er dannet av det ringformete rommet begrenset av de oppover pekende ledeplatene 174, 175, 176 og veggen 8. Oljeinnløpene 181, 182 til oljeoppsamlingskanalen 178 er definert av de ringformete regionene mellom en oppover pekende ledeplate 175, 176 og den ytre kanten til den øvre nærliggende trakten, henholdsvis 130, 131. For eksempel er oljeinnløpet 181 anordnet til å motta en oljeberiket komponent fra den øverste regionen 183 til separasjonsrommet 145. Den oljeoppsamlende kanalen 178 omfatter ytterligere et utløp 184 i kommunikasjon med utløpet 15 til separatoren 110.

Den vannoppsamlende kanalen 180 til separatoren 110 er dannet av det nær-aksiale rommet begrenset av de nedover pekende ledeplatene 170, 171, 172. Vann-innløpene 186, 187 til vannoppbevaringskanelen 180 er definert av de ringformete regionene mellom en nedover pekende ledeplate 170, 172 og kanten til nærliggende sirkulære åpning, henholdsvis 141, 142. For eksempel er vanninnløpet 187 anordnet til å motta en vannberiket komponent fra den laveste regionen 189 til separasjonsrommet 145. Vannoppsamlingskanalen 180 omfatter videre et utløp 190 i kommunikasjon med utløpet 18 til separatoren 110.

Diameteren til den øvre kanten øker fra topp til bunn, slik at tverrsnittsarealet til den oljeoppsamlende kanalen 178 øker mot utløpet 184. Tverrsnittsarealet til de sentrale åpningene, og derfor til vannoppsamlingskanalen, øker fra topp til bunn, dvs. mot utløpet 190. Den laveste nedover pekende ledeplaten 172 nær til utløpet 190 til vannoppsamlingskanalen, gjennomfører grunnplaten 147, hvor den ytre omkretsen til ledeplaten 172 tettende kommer i kontakt med grunnplaten 147. Utløpet 190 kommuniserer med separatorens utløp for den vannberikete komponenten via røret 192 som er festet til den nedre kanten til den nedover pekende ledeplaten 172. I gjennomføringsveggen 193 er åpningen 152 anordnet, og innløpskanalen 150 er festet til denne.

Ved diskusjon av vanlig drift til borebrønnen 100 i denne utførelsen, er referanse gjort til normal drift til utførelsene beskrevet med referanse til figurene 2 og 3. Nedenfor vil kun drift av separatoren 110 bli diskutert.

Borebrønnfluid er mottatt av den statiske separatoren 110 på samme måte ved innløpet 12, og kommer inn i innløpsrøret 150 ved åpningen 152. Borebrønnfluidet er tillatt å komme inn i det indre til separatorrommene 144, 145 via utløpsåpningene 158, 159, 160, 161. I et separasjonsrom, for eksempel separasjonsrommet 145, er et øvre, oljeberiket lag og et nedre, vannberiket lag dannet. For eksempel i separasjonsrommet 145 strømmer det oljeberikete laget mot den øverste regionen 183, hvorfra den forlater separasjonsrommet for å komme inn i den oljeoppsamlende kanalen gjennom innløpet 181. Det vannberikete laget strømmer mot den nederste regionen 189 til separatorrommet 145, hvorfra det trenger inn i vannoppsamlingskanalen gjennom innløpet 187. Den oljeoppsamlende kanalen 178 mottar en oljeberiket komponent fra alle separasjonsrommene, og siden tverrsnittet til kanalen utvider seg mot utløpet 184, kan den vertikale strømningshastigheten oppover til den oljeberikete komponenten i kanalen 178 forbli hovedsakelig konstant. Fra utløpet strømmer den oppsamlede oljeberikete komponenten til utløpet 15. Den oljeberikete komponenten inneholder vanligvis mindre enn 10 volumprosent av vann, fortrinnsvis mindre enn 2 volumprosent, enda mer fordelaktig mindre enn 0,5 volumprosent av vann.

Vannoppsamlingskanalen 180 mottar en vannberiket komponent fra alle separasjonsrommene, og siden dens tverrsnitt utvider seg fra topp til bunn mot utløpet 190, kan den vertikale strømningshastigheten nedover til den vannberikete komponenten i kanalen 180 forbli hovedsakelig konstant. Fra utløpet 190 strømmer den oppsamlede vannberikete komponenten til utløpet 18 hvorfra den er uttømt via vannuttømnings-systemet. Den vannberikete komponenten kan inneholde mellom 0,01 volumprosent og 0,5 volumprosent med olje.

Ledeplatene langs de vann- og oljeoppbevarende kanalene kan bli sett på som å tjene forskjellige formål. De omkranser borebrønnfluidet i separasjonsrommet slik at separasjonsrommene kan bli sett på som å være effektivt frakoplet. Videre forhindrer ledeplatene gjenblanding av allerede separerte komponenter i en oppsamlingskanal med fluidet i et separasjonsrom, ved å vurdere at strømningshastighetene i de oppsamlende kanalene er relativt høy. Ledeplatene hjelper å realisere at den vertikale strømmen av innstrømmende borebrønnfluid og utstrømmende separerte komponenter er effektivt frakoplet.

Det er forstått at én modifisering av separatoren 110 vist i figur 5 kan være oppnådd ved å anordne stabelen av trakter opp ned slik at de blir smalere fra bunn til topp, og det er klart at og hvordan i et slikt arrangement oljeoppsamlingskanalen er dannet i den nære aksiale regionen og vannoppsamlingskanalen i den ringformete regionen til separasjonskammeret.

En annen modifikasjon til separatoren 110 kan være oppnådd ved å feste tettende deler til den øvre kanten av trakten og mot den ytre veggen, slik at én eller flere oljeoppsamlende kanaler er dannet i romsegmenter langs den ytre veggen.

I ytterligere en annen modifisering er innløpskanalen anordnet eksentrisk i separasjonskammeret, og tettende gjennomfører stabelen med plater tilsvarende til utførelsen til separatoren 10 i figur 3.

Det er tydelig at spesifikke designparametere til en platepakke vil være avhengig av den praktiske situasjonen. For eksempel kan tverrsnittsarealet til de vannsamlende og oljesamlende kanalene, relativt til hverandre og til separasjonskammerets tverrsnittsareal, være utvalgt avhengig av forventet strømningsrate og vanninnhold til borebrønnfluidet. Antall plater kan bli valgt på basis av kalkulasjonene tilsvarende til figur 1 ved å bruke parametrene til den praktiske situasjonen. Hellingsvinkelen til platene i forhold til det horisontale planet er valgt slik at faste partikler ikke samler seg opp på platene, men at det tilgjengelige separasjonsvolumet er benyttet optimalt. Vanligvis vil hellingsvinkelen være valgt i området mellom 10 og 45 grader, fortrinnsvis mellom 15 og 25 grader, i forhold til det horisontale planet.

I diskusjonen med referanse til figur 1, har det blitt klart at en stabel av plater øker separasjonseffektiviteten til en separator i et separasjonskammer. 1 praksis kan ofte en reduksjon av den påkrevde høyden til separasjonskammeret med en faktor i området fra 1,5 til 6 bli oppnådd. Noen ganger er høyden til separasjonskammeret ikke en begrensende ikke en begrensende faktor for borebrønnkonstruksjonen, og i dette tilfellet kan en separator uten en stabel av plater bli benyttet.

Typiske dimensjoner til separasjonskammeret 6 til borebrønnen som vist i figur 1 har vært kalkulert ved å benytte "Dispersion Band Modell" under følgende forutsetninger: brutto strømningsrate gjennom separatoren 1000m<3>/dag av borebrønnfluid som inneholder 50 volumprosent av vann, tørr oljeviskositet 0,001 Pa.s. I dette tilfellet er det nødvendig med et separasjonskammer på ca. 1 m i diameter og 5 m høyt. Til sammenlikning vil man finne ut at ved å installere en stabel med plater i separasjonskammeret kan høydekravet bli redusert til for eksempel 2 m.

Claims (17)

1. Anordning for underjordisk separasjon av vann fra et borebrønnfluid i en borebrønn (1) som strekker seg fra jordoverflaten (2) til en underjordisk produksjonsformasjon (4) som omfatter hydrokarbonolje og vann, hvor borebrønnen (1) over produksjonsformasjonen (4) er fremskaffet med et separasjonskammer (6) hvor en statisk olje/vannseparator (10) er anordnet som omfatter et innløp (12) til å motta borebrønnfluid fra en innløpsborebrønnseksjon (13) under separasjonskammeret (6), et utløp (15) for en oljeberiket komponent som åpnes inn i borebrønnseksjonen (16) over separasjonskammeret (6), og et utløp (18) for en vannberiket komponent som åpner seg inn i en utløpsborebrønnseksjon (19) under separasjonskammeret (6),karakterisert vedat høyden til separasjonskammeret (6) er større enn tykkelsen til dispersjonsbåndet som er dannet i denne under normale driftsforhold, - en stabel med skråstilte plater plassert vertikalt fra hverandre, hvor et separasjonsrom (35, 36, 38) er definert mellom hvert par av nærliggende plater (30, 31, 32), - et hovedsakelig vertikalt innløpsrør (40) som kommuniserer med separatorens innløp, hvor innløpsrøret (40) føres igjennom stabelen med plater og er anordnet til å motta borebrønnfluid i sin nedre ende, og er fremskaffet med én eller flere borebrønnfluidutløp (44,45, 46), hvor hvert åpner inn i et separasjonsrom (35, 36, 38 ), - en hovedsakelig vertikal oljeoppsamlingskanal (65) som har et oljeutløp ved sin øvre ende som kommuniserer med separatorens (10) utløp (15) for den oljeberikete komponenten, hvor oljeoppsamlingskanalen (65) har én eller flere oljeinnløp (70), hvor hvert oljeinnløp (70) er anordnet til å motta fluid fra den øverste regionen (72) til et separasjonsrom (36), hvor minst platen (30, 31, 32) umiddelbart under hvert oljeinnløp (70) er fremskaffet med en vertikalt oppover pekende ledeplate (54), og - en hovedsakelig vertikal vannoppsamlingskanal (75) som har et vannutløp ved sin nedre ende som kommuniserer med separatorens utløp (18) for den vannberikete komponenten, hvor vannoppsamlingskanalen (75) har én eller flere vanninnløp (80), hvor hvert vanninnløp (50) er anordnet til å motta fluid fra den nederste regionen (82) til et separasjonsrom (35), hvor minst platen umiddelbart over hvert vanninnløp er fremskaffet med en vertikal nedover pekende ledeplate.

2. Borebrønn i henhold til krav 1,karakterisert vedat den statiske separatoren (10) videre omfatter et strømningsdistribusjonsmiddel (24), anordnet til å distribuere på en forutbestemt vertikal posisjon det mottatte borebrønnfluidet gjennom separatorens (10) innløp (12) over tverrsnittsarealet til separasjonskammeret (6).

3. Borebrønn i henhold til krav 1 eller 2,karakterisert vedat den statiske separatoren (10) videre omfatter et nivådetektormiddel (28) og et strømningskontrollmiddel (24) for å opprettholde, under normal drift, et grensesnitt mellom to væskelag på et forutbestemt nivå.

4. Anordning i henhold til krav 2 eller 3,karakterisert vedat strømdistribusjons-midlet omfatter én eller flere rør i fluid kommunikasjon med separatorens (10) innløp (12) for borebrønnfluid, hvor rørene er fremskaffet med utløpsåpninger (18) nær den forutbestemte vertikale posisjonen inn i separasjonskammeret (6).

5. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat de skråstilte platene (130, 131, 132) er hovedsakelig flate og anordnet hovedsakelig parallelt til hverandre, hvor hver skråstilte plate (130, 131, 132) er fremskaffet med en nedover pekende ledeplate festet til kanten til den nedre siden av den skråstilte platen, og en oppover pekende ledeplate festet til kanten på den øvre siden av den skråstilte platen, hvor den gjenværende delen av kanten tettende passer mot veggen (8) til separasjonskammeret (6), hvor den oljeoppsamlende kanalen (65) er dannet av rommet avgrenset av de oppover pekende ledeplatene og veggen (8), og hvor den vannoppsamlende kanalen (75) er dannet av rommet avgrenset av de nedover pekende ledeplatene og veggen (8).

6. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat de skråstilte platene (130, 131, 132) har hovedsakelig form som trakter anordnet hovedsakelig parallelt til hverandre, hvor hver trakt er fremskaffet med en sentrert åpning (140, 141, 142).

7. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat traktene blir smalere fra topp til bunn, hvor det til kantene til hver sentrert åpning er festet en nedover pekende ledeplate (170, 171, 172), hvor det til den øvre kanten er festet en oppover pekende ledeplate (174, 175, 176), hvor vannoppsamlingskanalen (75) er dannet av det aksiale rommet avgrenset av de nedover pekende ledeplatene (170, 171, 172), og hvor oljeoppsamlingskanalen (65) er dannet av det ringformete rommet avgrenset av de oppover pekende ledeplatene og veggen (8).

8. Anordning i henhold til krav 6,karakterisert vedat traktene blir smalere fra bunnen til toppen, hvor det til kanten på hver sentrerte åpning er festet en oppover pekende ledeplate (174, 175, 176), og hvor det til den nedre kanten er festet en nedover pekende ledeplate (170, 171, 172), hvor oljeoppsamlingskanalen (65) er dannet av det aksiale rommet avgrenset av de oppover pekende ledeplatene (174, 175, 176), og hvor vannoppsamlingskanalen (75) er dannet av det ringformete rommet avgrenset av de nedover pekende ledeplatene (170, 171, 172) og veggen (8).

9. Anordning i henhold til ett av kravene I, 5, 6, 7, 8,karakterisert vedat tverrsnittsarealet til vannoppsamlingskanalen (75) øker fra topp til bunn.

10. Anordning i henhold til ett av kravene 1, 5, 6, 7, 8, 9,karakterisert vedat tverrsnittsarealet til den oljeoppsamlende kanalen (65) øker fra bunn til topp.

11. Anordning i henhold til ett av kravene 5 til 10,karakterisert vedat utløps-åpningene til innløpskanalen har den samme størrelse.

12. Anordning i henhold til ett av kravene 1 til 11,karakterisert vedat separasjonskammeret er anordnet i en utvidet seksjon til borebrønnen (1).

13. Anordning i henhold til ett av kravene 1 til 12,karakterisert vedat forholdet mellom høyden og den effektive diameteren til separasjonskammeret (6) er mindre enn 10.

14. Anordning i henhold til krav 13,karakterisert vedat forholdet mellom høyden og den effektive diameteren til separasjonskammeret (6) er mindre enn 5.

15. Fremgangsmåte for å produsere olje fra en underjordisk produksjonsformasjon (4) ved anvendelse av en anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedå omfatte stegende av: - å slippe inn borebrønnfluid inn i separasjonskammeret (6) på en forutbestemt vertikal posisjon gjennom én eller flere åpninger med en lokal strømningshastighet under 1 m/s; - å tillate borebrønnfluidet til å separere inn i et lavere lag med en vannberiket komponent, et midtlag av en olje- og vanndispersjonskomponent og et øvre lag av en oljeberiket komponent; - å trekke væske fra det øvre laget og å produsere denne væsken til overflaten (2); - å trekke væske fra det laveste laget; - å måle den vertikale posisjonen til grensesnittet mellom de to væskelagene; og - å kontrollere strømningsraten til minst én av det innstrømmende borebrønnfluid, den utstrømmende vannberikete komponenten eller den utstrømmende oljeberikete komponenten i avhengighet til den målte vertikale posisjonen.

16. Fremgangsmåte i henhold til krav 15,karakterisert vedat strømningsraten er kontrollert for å anordne den forutbestemte vertikale posisjonen til det lavere laget.

17. Fremgangsmåte i henhold til krav 15,karakterisert vedat strømningsraten er kontrollert for å anordne den forutbestemte vertikale posisjonen til det midtre laget.