NO332898B1

NO332898B1 - Anordning ved stromningsregulator for regulering av en fluidstrom mellom et petroleumsreservoar og et rorlegeme

Info

Publication number: NO332898B1
Application number: NO20082109A
Authority: NO
Inventors: Bernt Sigve Aadnoy
Original assignee: Bech Wellbore Flow Control As
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2013-01-28
Also published as: WO2009136796A1; EP2271820A4; US20110067878A1; US8607873B2; NO20082109L; EP2271820A1

Abstract

Anordning ved strømningsregulator (50) for regulering av en fluidstrøm mellom et petroleumsreservoar (6) og et rørlegeme (2) og hvor fluidstrømmen er ledet gjennom en strømningsrestriksjon (18), og hvor en trykkstyrt aktuator (30) er koplet til et ventillegeme (24) som samvirker med en i forhold til strømningsrestriksjonen (18) seriekoplet ventilåpning (20), idet aktuatoren (30) på sin lukkeside (34) kommuniserer med fluid som befinner seg oppstrøms strømningsrestriksjonen (18), og hvor aktuatoren (30) på sin åpneside (40) kommuniserer med et fluid som befinner seg nedstrøms strømningsrestriksjonen (18) og oppstrøms ventilåpningen (20).

Description

ANORDNING VED STRØMNINGSREGULATOR FOR REGULERING AV EN FLUIDSTRØM MELLOM ET PETROLEUMSRESERVOAR OG ET RØRLEGEME

Det er tilveiebrakt en strømningsregulator for regulering av en fluidstrøm mellom et petroleumsreservoar og et rørlegeme. Nærmere bestemt dreier det seg om en strømningsregulator for regulering av en fluidstrøm mellom et petroleumsreservoar og et rørlegeme hvor fluidstrømmen er ledet gjennom en strømningsrestriksjon.

I brønner med relativt lang penetrering gjennom et reservoar, har det lett for å oppstå en såkalt skjev produksjon. Det vil si en ulik innstrømming av reservoarfluid langs brønnen. Forholdet skyldes i hovedsak trykkfall i produksjonsrøret og er særlig utbredt i horisontale eller nær horisontale brønner.

I de mange brønner, også i vertikale eller nær vertikale brønner, kan forholdet skyldes ulik permeabilitet, viskositet eller ulikt poretrykk i forskjellige soner i brønnen.

Forholdene som ligger til grunn for oppfinnelsen er nedenfor forklart under henvisning til en horisontal brønn. Dette begrenser på ingen måte oppfinnelsens omfang.

Innstrømningen til produksjonsrøret er ofte vesentlig større ved brønnens "hæl" enn ved brønnens "tå". Dersom denne innstrømning ikke styres, vil produksjonen bli ujevn, noe som kan føre til vann- eller gasskoning. Konsekvensen av dette er at det må bores nye brønner for å kunne utvinne brønnfluid fra området ved brønnens tå.

Det er kjent å anbringe strupninger, som i fagmiljøet er betegnet ICD (Inflow Control Device), i innstrømningsveien til produksjonsrøret, for eksempel ved hver rørskjøt. Strupningene kan tilpasses individuelt for de ulike soner i brønnen. Etter hvert som trykket i reservoaret endrer seg, endres også det relative trykk mellom de ulike områder i brønnen, hvorved de opprinnelig tilpassede strupninger ofte ikke lenger styrer innstrømningen til brønnen på ønsket måte.

GB 2376488 beskriver en konstanttrykkfallsventil hvor brønnfluid tilføres et kammer og strømmer gjennom en ventilåpning til en mellomport før det strømmer gjennom en strupning og til utløpet. Strupningen er angitt som innstillbar. Et første stempel som er koplet til et andre stempel vil, når det forskyves mot sin lukkeretning, redusere og muligens også stenge ventilåpningen. En fjær skyver stemplene i åpneretningen. Kammeret står under innløpstrykk, området mellom ventilåpningen og strupningen har et mellomtrykk, og strupningen har nedstrøms et utløpstrykk. Mellomtrykket er koplet til stemplenes lukkeside, mens utløpstrykket er koplet til stemplenes åpneside. Konstanttrykkfallsventilen har ingen tilbakekopling.

WO 2008/004875 omhandler en innstrømningsventil i en brønn. Ventilen er egenregulert i henhold til det såkalte Bernoulli prinsippet er ved at en forskyvbar skive åpner og lukker for strømning.

Formålet med strømmngsregulatoren er å avhjelpe eller redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkrav.

Det er tilveiebrakt en strømningsregulator for regulering av en fluidstrøm mellom et petroleumsreservoar og et rørlegeme hvor fluidstrømmen er ledet gjennom en strømningsrestriksjon hvor en trykkstyrt aktuator er koplet til et ventillegeme som samvirker med en i forhold til strømningsrestriksjonen seriekoplet ventilåpning. Strømningsregulatoren kjennetegnes ved at aktuatoren på sin lukkeside kommuniserer med fluid som befinner seg i petroleumsreservoaret oppstrøms strømningsrestriksjonen, og hvor aktuatoren på sin åpneside kommuniserer med et fluid som befinner seg nedstrøms strømningsrestriksjonen og oppstrøms ventilåpningen.

Det antas at trykkfallet ved innstrømning til rørlegemet, her et produksjons rø r, i en relativt lang brønn i hovedsak påvirkes av følgende forhold: - Reservoaret sitt nedtappingstrykk som styrer strømningsraten fra reservoaret. Dette påvirkes av reservoarets permabilitet, avdekket formasjonsareal og brønnfluidets viskositet. - Trykkfallet langs produksjonsrøret. Dette trykkfall er avhengig av akkumulert strømning gjennom produksjonsrøret. For horisontale brønner som oppviser relativt høy produksjon er strømningen laminær, det vil si viskositetsavhengig, ved brønnens tå, men går over til turbulent strømning som er densitetsavhengig etter hvert som strømningshastigheten øker. Strømningsraten relativt trykkfallet er således høyst ulineær og varierer med den aktuelle utvinningsgrad. - Trykkfallkarakteristikken over ICD'en er en viktig parameter. Modellering har vist at strømningsrestriksjonen normalt oppviser turbulent og derved ikke-lineær strømning.

Trykkfallet i en brønn er således relativt komplisert og er laminært i reservoaret, turbulent gjennom ICD'en, laminært og turbulent i produksjonsrøret og turbulent fra brønnens hæl.

Reservoartrykket reduseres ved hjelp av en strømningsrestriksjon under innstrømningen til rørlegemet. Kraftbalansen på et stempel i aktuatoren er gitt ved:

hvor Pr er reservoartrykk, A er stempelareal, Pc er trykket i et innstrømningskammer som befinner seg nedstrøms strømningsrestriksjonen og oppstrøms ventilåpningen, K er en fjærs fjærkonstant og X er forskyvningen av det fjærbelastede stempel.

En trykkbalanse i en ventilåpning mellom innstrømningskammeret og produksjonsrøret er gitt ved:

hvor Pt er trykket i produksjonsrøret, Kv er ventilkonstanten, p er brønnfluidets densitet og Q fluidets strømningsrate gjennom ventilåpningen.

Ved å kombinere de to ligninger overfor fås ligningen for en konstantstrøm strømningsregulator: som kan omformes til:

Fjærkraften KX er kalibrert slik at stemplet forskyves når differansetrykket endres. Uttrykket under kvadratroten er alltid konstant, hvorved også strømningen er konstant, idet et stort trykkfall over ventilåpningen leder til en stor forskyvning X av stemplet, idet K og A er konstanter:

Aktuatoren sin lukkeside kan kommunisere med fluid som befinner seg på innsiden av en sandskjerm. Derved blir aktuatoren tilført renere fluid enn om tilførselen kommer direkte fra reservoaret.

Aktuatoren kan være forsynt med et stempel som er tettende forskyvbart i en sylinder. Det er forutsatt at strømningsregulatoren og derved også aktuatoren skal ha lang levetid, noe som kan forbedres ved å skille stemplet fra brønnfluidet ved hjelp av minst en membranlignende pakning.

Aktuatorstemplet er typisk fjærforspent i retning bort fra ventilåpningen.

I en forenklet utførelsesform kan aktuatoren være utformet med en membran til erstatning for stemplet hvor membranen også har en fjærkonstant. Det vil si at kraften som skal til for å forskyve membranen øker med forskjøvet relativ distanse.

Strømningsregulatoren sin virkemåte er nærmere forklart nedenfor. I utførelseseksemplene leverer strømningsregulatoren fluid direkte til rørlegemet. Det er innlysende at strømningsregulatoren kan være anbrakt hvor som helst i strømningsveien fra petroleumsreservoaret og til rørlegemet.

Strømningsregulatoren er også velegnet for anvendelse i vertikale eller nær vertikale brønner som ofte kan penetrere flere reservoarlag med ulik permeabilitet, viskositet og reservoartrykk, idet strømningsregulatorene kan innstilles til å kunne maksimere utvinningen i alle lag.

Den tilveiebrakte strømningsregulator muliggjør en vesentlig forbedret kontroll med det innstrømmende brønnfluid over en petroleumsbrønn sin produksjonstid. Strømningsregulatoren kan utformes til å gi en konstant volumstrøm selv om brønntrykket faller, eller den kan utformes til å endre volumstrømmen som en funksjon av brønntrykket eller trykkdifferansen mellom brønnen og produksjonsrøret.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser skjematisk og i snitt en relativt langstrakt, horisontal brønn som er delt opp i et antall soner; Fig. 2 viser i større målestokk et utsnitt fra fig. 1; Fig. 3 viser i større målestokk og i snitt en prinsippskisse av en strømningsregulator; Fig. 4 viser i snitt en annen utførelsesform av strømningsregulatoren i fig. 3; Fig. 5 viser i snitt nok en utførelsesform av strømningsregulatoren; Fig. 6 viser i snitt og større målestokk en strømningsregulator i en praktisk

utførelsesform; og

Fig. 7 viser en graf over ulike strømningskarakteristikker for

strømningsregulatoren.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en petroleumsbrønn hvor et rørlegeme 2 i form av et produksjonsrør er anbrakt i et borehull 4 i et reservoar 6.

Rørlegemet 2 er forsynt med kompletteringsutstyr i form av sandskjermer 8 og innstrømningskammer 10, se fig. 2.

Et antall pakninger 12 er anordnet i et ringrom 14 mellom sandskjermen 8 og borehullet 4, og deler brønnen 1 opp i et antall seksjoner 16.

Brønnfluid strømmer via sandskjermen 8 og en strømningsrestriksjon 18 i form av en dyse, se fig. 3 til 6, inn i innstrømningskammeret 10 og videre gjennom en ventilåpning 20 og inn i rørlegemet 2. Strømningsrestriksjonen 18 kan være regulerbar.

Ventilåpningen 20 befinner seg i et ventilsete 22 som samvirker med et ventillegeme 24, se fig. 6. Ventillegemet 24 er koplet til et stempel 26, se fig. 3, 4 og 6, eller til en membran 28, se fig. 5, i en aktuator 30.

Dersom aktuatoren 30 er forsynt med et stempel 26, er stemplet 26 tettende, forskyvbart i en sylinder 32. Stemplets 26 lukkeside 34, se fig. 6, befinner seg på motstående side av stemplet 26 relativt ventilsetet 22 og kommuniserer med reservoartrykket via en åpning 36 til ringrommet 14, se fig. 3, eller via en kanal 38 til innenfor sandskjermen 8, se fig. 4.

Trykket i innstrømningskammeret 10 virker mot stemplets åpneside 40.

En fjær 42 spenner stemplet 26 i retning bort fra ventilsetet 22.

På tilsvarende måte påvirker brønntrykket og trykket i innstrømningskammeret 10 membranen 28, se fig. 5. Membranen 28 er relativt stiv og nødvendig forskyvningskraft øker etter hvert som ventillegemet 26 forskyves i retning bort fra ventilsetet 22.

I fig. 6 er aktuatoren utformet med en første membranlignende tetning 44 på sin lukkeside 34, og en andre membranlignende tetning 46 på sin åpneside 40.

Sylinderen 32 er oljefylt mellom tetningene 44 og 46. Stemplet 26 er derfor ikke utsatt for reservoarfluid. Oljen er normalt anbrakt mellom tetningene 44, 46 og stemplet 26 under monteringen.

En kalibreringsskrue 48 virker mot stemplet 26 og bidrar derved til å kunne forspenne fjæren 42. Den første tetning 44 kommuniserer med reservoartrykket via kanalen 38. Reservoartrykket overføres til stemplet 26 via fluidet som befinner seg mellom den første tetning 44 og stemplet 26.

Strømningsrestriksjonen 18, innstrømningskammeret 10, aktuatoren 30 og ventilsetet 22 med ventillegemet 24 utgjør således en strømningsregulator 50.

Når strømningsregulatoren 50 er i likevekt og reservoartrykket faller, blir trykkdifferansen Pr-Pt= AP mellom reservoaret 6 og rørlegemet 2 mindre, noe som fører til redusert innstrømning av reservoarfluid til rørlegemet 2 dersom ikke trykkfallet i strømningsregulatoren 50 endres.

Imidlertid viser den teoretiske utledning i dokumentets generelle del at fjæren 42, alternativt membranen 28, forskyver stemplet 42 henholdsvis membranen 28, slik at trykkfallet over ventillegemet 24 og ventilåpningen 20 reduseres hvorved strømningsmengden gjennom strømningsregulatoren 50 forblir uendret. Forholdet er vist ved hjelp av en kurve 52 i fig. 7 hvor trykkdifferansen AP er vist langs abskissen mens strømningsraten Q er vist langs ordinaten.

En kurve 54 i fig. 7 illustrerer strømningen når strømningsregulatoren 50 er konstruert til å kunne gi en stigende strømningsrate Q ved minkende differansetrykk AP, mens en kurve 56 viser strømningen når strømningsregulatoren 50 er konstruert til å kunne gi minkende strømningsrate Q ved fallende differansetrykk AP.

Claims

1. Anordning ved strømningsregulator (50) for regulering av en fluidstrøm mellom et petroleumsreservoar (6) og et rørlegeme (2) og hvor fluidstrømmen er ledet gjennom en strømningsrestriksjon (18), idet en trykkstyrt aktuator (30) er koplet til et ventillegeme (24) som samvirker med en i forhold til strømningsrestriksjonen (18) seriekoplet ventilåpning (20),karakterisert vedat aktuatoren (30) på sin lukkeside (34) kommuniserer med fluid som befinner seg i petroleumsreservoaret (6) oppstrøms ventilåpningen (20) og strømningsrestriksjonen (18), og hvor aktuatoren (30) på sin åpneside (40) kommuniserer med et fluid som befinner seg nedstrøms strømningsrestriksjonen (18) og oppstrøms ventilåpningen (20).

2. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat aktuatoren (30) sin lukkeside (34) kommuniserer med fluid som befinner seg på innsiden av en sandskjerm (8).

3. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat aktuatoren (30) er forsynt med et stempel (26).

4. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat stemplet (26) er avdelt fra brønnfluidet ved hjelp av minst en membranlignende tetning (44, 46).

5. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat aktuatoren (30) er forsynt med en membran (28) som har en fjærkonstant.

6. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat strømningregulatoren (50) er innrettet til å kunne gi en konstant strømningsmengde ved fallende differansetrykk.

7. Anordning i henhold til krav 1,karakterisert vedat strømningregulatoren (50) er innrettet til å kunne gi en økende strømningsmengde ved fallende differansetrykk.

8. Anordning i henhold tii krav 1,karakterisert vedat strømningregulatoren 50 er innrettet til å kunne gi en avtagende strømningsmengde ved fallende differansetrykk.