NO336880B1 - Fremgangsmåte og system for regulering av strømmer i en brønn - Google Patents

Abstract

En fremgangsmåte og system inkluderer tilveiebringelse av utstyr i en brønn og nedihulls i brønnen for regulering av et forhold mellom strømninger som tilføres utstyret. I en utførelsesform av oppfinnelsen inkluderer en fremgangsmåte tilveiebringelse av nedihulls utstyr og regulering av forholdet mellom de strømninger som sendes til utstyret. I en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen inkluderer et system kommunikasjonsbaner, som er lokalisert i brønnen for å motta strømninger. En kontroller av systemet regulerer et forhold mellom strømningene.

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

[001 ] Oppfinnelsen vedrører generelt styring av strømninger i en brønn.

[002] I det nedhulls miljø er der mange anvendelser som involverer styring av strømninger. For eksempel kan en typisk nedhulls komplettering inkludere en olje/vannseparator som mottar en produsert brønnfluidblanding og separerer blandingen i tilsvarende vann- og oljestrøm. Vannstrømningen kan innføres igjen i brønnen, og for dette formål kan det nedhulls system være konstruert for formål med generelt å etablere den strømningsmengde med hvilken vann innføres tilbake i brønnen.

[003] Den konvensjonelle måte for å styre en strømning i det nedhulls miljø involverer bruken av en innretning som er beheftet med et tap, som for eksempel en blende eller annen innsnevring. Størrelsen av strømningsbanen gjennom innretningen kan for eksempel bestemmes ved å anvende enkle hydrauliske beregning-er, basert på den antagelse at de nedhulls hydrauliske parametere er forholdsvis konstant over tid. Når trykk- og/eller strømningskarakteristikken av en del av det hydraulisk system endres, kan imidlertid hele strømningsbalansen forstyrres, ettersom den beregnede størrelse ikke lenger er riktig.

[004] Det foreligger således et kontinuerlig behov for bedre måter å styre strøm-ningene i en brønn. Fra US 5,560,737 fremgår det en fremgangsmåte og anordning for reduksjon eller eliminering av ikke-naturlige forekommende undergrunns væskeforurensninger fra én eller flere jordformasjoner. Fra US 6,719,048 fremgår det en fremgangsmåte og anordning for separasjon av vann fra olje/gass i selve brønnen nedihulls, der man lar gravitasjon påvirke blandingen i en ikke-vertikal seksjon av brønnen.

Oppsummering av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder en fremgangsmåte for regulering av strømmer i en brønn. Fremgangsmåten omfatter: tilveiebringelse av utstyr nedhulls i en brønn for å motta første fluid kommunisert gjennom en første strøm-ningsbane og andre fluid kommunisert gjennom en andre strømningsbane, og regulering av den totale volumetriske strømningen gjennom den andre strømnings-banen som reaksjon på den totale volumetriske strømningen gjennom den første strømningsbanen for å opprettholde forholdet mellom de volumetriske strømning-ene hovedsakelig konstant.

Videre gjelder den foreliggende oppfinnelsen et system som kan anvendes med en brønn. Systemet omfatter en første strømningsbane for å kommunisere et førs-te fluid og en andre strømningsbane for å kommunisere et andre fluid, og en kontroller lokalisert i brønnen for å regulere den totale volumetriske strømmen gjennom den andre strømningsbanen i respons til den totale volumetriske strømmen gjennom den første strømningsbanen for å opprettholde et forhold mellom de totale volumetriske strømningene hovedsakelig konstant hvori kontrolleren omfatter en venturi i tilknytning til den første strømningsbanen for å generere en regulerende sugekraft eller mekanisk kopling som mekanisk kopler en anordning i tilknytning til den første strømningsbanen og en anordning i tilknytning til den andre strøm-ningsbanen.

[005] I en utførelsesform kan oppfinnelsen inkluderer en metode som er brukelig med en brønn tilveiebringelse av nedhulls utstyr og regulering av forholdet mellom de strømninger som sendes til utstyret.

[006] I en ytterligere utførelsesform kan oppfinnelsen inkludere et system som er brukbar med en brønn kommunikasjonsbaner, som er lokalisert i brønnen for å motta strømninger. En kontroller av systemet regulerer et forhold mellom strøm-ningene.

[007] Fordeler og andre trekk ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse, patentkravene og de vedføyde tegninger.

Kort beskrivelse av tegningene

[008] Figur 1 er et flytskjema som viser en metode for å kontrollere strømninger i en brønn ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen.

[009] Figur 2 er et skjematisk diagram av et system for å regulere strømninger i en brønn og som produseres av en enkelt inngangsstrøm ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen.

[0010] Figur 3 er et skjematisk diagram av et system for å regulere strømninger i en brønn og som er produsert ved hjelp av flere tilførselsstrømninger ifølge en ut-førelsesform av oppfinnelsen. [0011 ] Figur 4 er et skjematisk diagram som illustrerer en venturibasert strøm-ningsdelingskontroller ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen.

[0012] Figur 5 er et skjematisk diagram som illustrerer en mekanisk tilbake-koplingsbasert strømningsdelingskontroller ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen.

[0013] Figur 6 er et skjematisk diagram av en brønn ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

[0014] I samsvar med utførelsesformer av oppfinnelsen beskrevet heri styres strømninger i det nedhulls miljø ved å regulere et forhold mellom strømningene. Denne metode overvinner således mangler ved konvensjonelle nedhulls hydrauliske systemer hvori blendestørrelser og andre hydrauliske parametere ble konstruert basert på den forutsetning at ingen endringer ville foregå med hensyn til nedhulls strømningsmengder, trykk, etc. Mer spesifikt inkluderer med henvisning til figur 1, en metode 10 i samsvar med noen utførelsesformer av oppfinnelsen tilveiebringelse av (blokk 14) et hydraulisk system i en brønn, idet systemet inneholder kommunikasjonsbaner for å kommunisere strømninger. Et forhold mellom strømningene reguleres (blokk 16) slik at forholdet er forholdsvis konstant og ikke er sensitivt til trykk- og/eller strømningsendringer i det hydrauliske system.

[0015] Som et mer spesifikt eksempel viser figur 2 et system 30 for å regulere strømninger i en brønn ifølge noen utførelsesformer av oppfinnelsen. Systemet 30 inkluderer to krysskoplede, hydrauliske strømningsstyringssubsystemer, som regulerer utløpsstrømningene 60 og 70 som frembringes i respons til en tilførsels-strømning 40. Mer spesifikt deles tilførselsstrømningen 40 (kommunisert gjennom en ledning 34) i to mellomstrømninger 42 og 46, som kommuniseres gjennom ledninger 44 henholdsvis 48, til strømningskontrollere 40 (en strømningskontroller 50a for mellomstrømningen 46 og en strømningskontroller 50b for mellomstrøm-ningen 42). Styringen av mellomstrømningen 42 av strømningskontrolleren 50b produserer utløpsstrømningen 60; og styringen av mellomstrømningen 46 ved hjelp av strømningskontrolleren 50a frembringer utløpsstrømningen 70.

[0016] Strømningsfølere 54a og 54b er koplet til å avføle strømningene 46 henholdsvis 42, og tilveiebringer positiv tilbakekopling til strømningskontrolleren 50 i den andre strømningsbane. På denne måte styrer strømningskontrolleren 50a ut-løpsstrømningen 70 basert på utløpsstrømningen 60, som avføles av strømnings-føleren 54b. På tilsvarende måte regulerer strømningskontrolleren 50b utløps-strømningen 60 basert på utløpsstrømningen 70 som avføles av strømningsføle-ren 54a. På grunn av den positive tilbakekopling tilveiebrakt av dette styringsskjema øker strømningskontrolleren 54a utløpsstrømningen 70 i respons til avføling av en økning i utløpsstrømningen 60. Likeledes øker strømningskontrolleren 50b ut-løpsstrømningen 60 i respons til avføling av en økning i utløpsstrømningen 70.

[0017] Selv om figur 2 viser et styringsskjema for bruk med en enkelt tilførsels-strømning kan et liknende styreskjema anvendes for å styre forholdet mellom strømningene som frembringes av parallelle tilførselsstrømninger, i samsvar med andre utførelsesformer av oppfinnelsen. Mer spesifikt viser figur 3 en utførelses-form av et slikt system 76 i samsvar med noen utførelsesformer av oppfinnelsen. Som vist i figur 3 mottar systemet 76 parallelle tilførselsstrømninger 78. Systemet 76 kan for eksempel inneholde en passiv innretning 76 som regulerer resulterende utløpsstrømninger 80 som frembringes i respons til de parallelle tilførselsstrøm-ninger 78, slik at forholdet mellom utløpsstrømningene 80 er forholdsvis konstant. For to utløpsstrømninger Qiog Q2opprettholder systemet 76 således generelt det følgende forhold:

hvori "k" representerer en konstant.

[0018] Som et mer spesifikt eksempel kan den passive innretning 74 (se figur 3) være en venturi- eller blendeplatemekanisme, i samsvar med noen utførelsesfor-mer av oppfinnelsen. Som et eksempel viser figur 4 en passiv, venturibasert strømningsdelingskontroll 100 i samsvar med noen utførelsesformer av oppfinnelsen. Med henvisning til figur 4 mottar strømningsdelingskontrolleren 100 en enkelt tilførselsstrøm 104 (for dette eksempel) ved et innløp 105. Tilførselsstrømningen 104 strømmer gjennom en hovedstrømningsbane i en venturi 110 for å frembringe en tilsvarende utløpsstrømning 108 ved et utløp 107. Venturien 110 inkluderer et sugeinnløp 115 som utøver en sugekraft mot et stempel 120 i respons til strøm-ningen gjennom hovedstrømningsbanen i venturien 110. Suget som forårsakes av strømningen gjennom hovedstrømningsbanen i venturien 110 bevirker at stemplet 120 virker mot en motsatt kraft, som utøves av en fjær 140 og beveger stemplet til å åpne strømning gjennom en strømningsbane 117. Strømningsbanen 117 er i sin tur i kommunikasjon med innløpet 105. For en gitt strømning gjennom venturien 110 åpnes således fluidkommunikasjon gjennom banen 117 for å skape en tilsvarende utløpsstrømning ved et annet utløp 131 av strømningsdeleren 100. Når ut-løpsstrømningen 108 øker bevirker dette en tilsvarende økning i suget ved suge-ledningen 115 for ytterligere å åpne banen 117 for ytterligere å øke utløpsstrøm-ningen 130. Strømningsdelingskontrolleren 100 tilveiebringer således positiv tilbakekopling for formål å regulere forholdet mellom utløpsstrømningene 108 og 130 til å være forholdsvis konstant.

[0019] Det bemerkes at strømningsdelingskontrolleren 100 er vist i figur 4 og beskrevet heri bare for det formål å beskrive en passiv strømningsdeler, eller strømningsdelingskontroller, som kan anvendes i det nedhulls miljø i samsvar med noen utførelsesformer av oppfinnelsen. Andre passive eller ikke-passive strøm-ningsdelingskontrollere kan anvendes i samsvar med andre utførelsesformer av oppfinnelsen.

[0020] Med henvisning til figur 5 som et ytterligere eksempel, i samsvar med noen utførelsesformer av oppfinnelsen, anvender et system 150 to positive fortrengningsinnretninger 160 for det formål å regulere forholdet mellom de to utløps-strømninger 180. Generelt inkluderer hver av de positive fortrengningsinnretninger 160 finner eller turbiner, som roterer i respons til en mottatt tilførselsstrømning 152. På grunn av en mekanisk kopling 170 mellom de positive fortrengningsinnretninger 160 styres rotasjonen av fortrengningsinnretningene delvis ved hjelp av den positive tilbakekopling fra den andre innretning 160. En økt strømning gjennom en av de positive fortrengningsinnretninger 160 bevirker således en tilsvarende økning i strømningen i den andre positive fortrengningsinnretning 160.

[0021] Strømningsstyringssystemene, som er vist heri, kan ha mange nedhulls anvendelser. Som et spesifikt eksempel, i samsvar med noen utførelsesformer av oppfinnelsen, kan strømningsstyringssystemene anvendes for formålet med nedhulls olje- og vannseparasjon. Det grunnleggende prinsipp er å ta produsert fluid (en olje/vannblanding, typisk med mer enn åtti prosent vann) og pumpe det produ-serte fluid gjennom en innretning som separerer en del av vannet fra blandingen og reinjiserer vannet i en nedhulls deponisone. Som et mer spesifikt eksempel viser figur 6 en brønn 200, som inkluderer en strømningsdelingskontroll 244 i samsvar med noen utførelsesformer av oppfinnelsen.

[0022] Som vist i figur 6 inkluderer brønnen 200 en produserende sone 220, som er lokalisert under en nedre pakning 240 og en vanndeponisone 260, som er lokalisert mellom den nedre pakning 240 og en øvre pakning 241. En pumpe 222 i brønnen 200 mottar en produsert brønnfluidblanding 221 som inneholder olje og vann. Pumpen 222 frembringer en utgangsstrømning 230 som passerer inn i olje/- vannseparatoren 234, som kan være en hydrosyklon, i samsvar med noen utførel-sesformer av oppfinnelsen. Hydrosyklonen 234 frembringer to strømninger: en vannstrømning og en oljestrømning.

[0023] Uten riktig regulering av forholdet av olje- og vannstrømningene kan flere problemer oppstå. For eksempel, hvis mengden av produsert vann øker mer enn forventet må den strømningsmengde ved hvilken vannet reinjiseres inn i deponisonen 260 økes, for å unngå at vann produseres til overflaten av brønnen 200. Hvis vannproduksjonen er signifikant mindre enn forventet kan olje injiseres inn i denne deponisone 260. Ved å styre forholdet mellom oljestrømning og vann-strømning maksimeres derfor effektiviteten av vannfjerningen og oljeproduksjons-prosessene maksimeres.

[0024] Som vist i figur 6 frembringer strømningsdelingskontrolleren 244 en vann-strømning 270 som kommuniseres gjennom en ledning 250 inn i deponisonen 260; og strømningsdelingskontrolleren 244 frembringer også en oljestrømning 217 til overflaten via en ledning, eller produksjonsstreng 215.

[0025] For oppsummering er det totale mål for strømningsdelingskontrolleren å opprettholde et strømningsdelingsforhold ved et konstant forhold i det nedstrøms

miljø. Strømningsdelingskontrolleren avføler endringene i strømningsmengde eller trykk og responderer til å opprettholde strømningsdelingsforholdet. Dette arrange-ment er i kontrast til å konstruere et hydraulisk system basert på den antatte (men mulig unøyaktige) modell av strømningsdelingen; ved bruk av blender beheftet med tap for å fremtvinge en eller annen slags strømningsdeling; eller å anbringe en innretning i systemet som maksimerer vannfjerning. Den siste metode kan være signifikant mer komplisert enn bruken av strømningsdelingskontrolleren, ettersom denne metode kan kreve følere for vannet og tilbakekopling til en strøm-ningsmengdestyrende ventil.

[0026] Flere praktiske spørsmål oppstår når det anvendes strømningsdelings-kontrollere i det nedhulls miljø, både generelle og anvendelsesspesifikke spørs-mål. Innretningene er passive (det vil si de krever ikke noen ekstern energitilfør-sel). For å bevirke en strømningsdeling må derfor arbeide utføres og dette oppstår fra tapene i strømningsmålingsinnretningen (kan være små hvis en venturi anvendes) og mer så i strømningskontrolleren som må strupe strømningen (dominant som typisk en delvis lukket ventil). Jo mer styring innretningen må oppnå desto større vil tapene være. Signifikante strømningsdelinger mot motvirkende trykkgra-dienter vil således skape de høyeste trykkfall gjennom innretningen.

[0027] Strømningsdelingskontrollerne kan ha bevegelige deler for å begrense strømningen og nærværet av faststoffer i det nedhulls miljø kan således fremby utfordringer og eventuelt hindre strømningskontrollere av positiv fortrengningstype. Faststoffer kan også være et spørsmål for strømningskontrollere av hydraulisk type ettersom strømningshastigheten gjennom strømningsføleren og strømnings-kontrolleren er høy. Vanlig anvendes en strømningshastighet på flere meter per sekund (m/s) for å oppnå tilstrekkelige hydrauliske krefter i den hydrauliske tilbakekopling. Den øvre grense for strømningshastigheten kan være begrenset av slike faktorer som erosjon og potensialet for at en høy strømningshastighet bringer bevegelige deler til å kile seg fast.

[0028] Innretningene kan ha et begrenset dynamisk område avhengig av Cd ver-sus strømningsmengdekarakteristikken av strømningskontrollerne, men en enkelt innretning kan være i stand til å dekke strømningsdelingsområdet på 10:1 og endringer i nedstrømstrykket av en av strømningene.

[0029] Andre utfordringer kan oppstå i bruken av en strømningsdelingskontroller nedstrøms fra en olje/vannseparator, idet denne kan være av en tyngdekraftstype, hydrosyklontype eller roterende syklontype. Først behøver trykkene på de sepa-rerte strømninger ikke nødvendigvis være de samme, og for det andre kan densi-tetene av de to strømninger være forskjellig. De forskjellige tilløpstrykk kan kom-penseres for i konstruksjonen av strømningskontrolleren i den ene eller begge ledningene, enten som en forskyvning i strømningskontrolleren hvis forskjellene er små eller som en innretning som er beheftet med tap (for eksempel en fast blende) i trykkledningen.

[0030] Bruken av en hydraulisk kontroller involverer en strømningsføler som har en ytelse proporsjonal til kvadratroten av densiteten. Forskjeller og endringer i densiteten av den ene eller begge ledningene påvirker således styring, men forut-satt at det foreligger noe kjennskap til de initiale fluidegenskaper, kan det initiale innstillingspunkt settes til å ta initiale betingelser med i betraktning og kvadratroten reduserer sensitiviteten for denne virkning. I denne konfigurasjon virker strøm-ningsføleren for den oljerike ledning på strømningskontrolleren for den vannrike ledning og vice versa, slik at det opptrer en blandet effekt av densitetskontrasten mellom de to ledninger. [0031 ] Mens den foreliggende oppfinnelse er blitt beskrevet i forbindelse med et begrenset antall utførelsesformer vil de fagkyndige som har fordel av denne frem-stilling innse tallrike modifikasjoner og variasjoner derfra.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for regulering av strømmer i en brønn (200), idet fremgangsmåten omfatter: tilveiebringelse av utstyr nedhulls i en brønn (200) for å motta første fluid kommunisert gjennom en første strømningsbane (117) og andre fluid kommunisert gjennom en andre strømningsbane; og regulering av den totale volumetriske strømningen gjennom den andre strømningsbanen som reaksjon på den totale volumetriske strømningen gjennom den første strømningsbanen (117) for å opprettholde forholdet mellom de volumetriske strømningene hovedsakelig konstant.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori tilveiebringelseshandlingen omfatter tilveiebringelse av en strømningsdeler.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori tilveiebringelseshandlingen omfatter tilveiebringelse av minst én hydrosyklon (234) for å motta i det minste én av strømningene.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori tilveiebringelseshandlingen omfatter å tilveiebringe en ledning (215) for å kommunisere i det minste én av strømningene til overflaten av brønnen (200).

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori tilveiebringelseshandlingen omfatter tilveiebringelse av minst én ledning for å injisere i det minste én av strømningene inn i brønnen (200).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvori strømningene tilveiebringes av en fluid-separator (234).

7. System som kan anvendes med en brønn (200), idet systemet omfattende: en første strømningsbane (117) for å kommunisere et første fluid og en andre strømningsbane for å kommunisere et andre fluid; og en kontroller (100) lokalisert i brønnen (200) for å regulere den totale volumetriske strømmen gjennom den andre strømningsbanen i respons til den totale volumetriske strømmen gjennom den første strømningsbanen (117) for å opprettholde et forhold mellom de totale volumetriske strømningene hovedsakelig konstant hvori kontrolleren (100) omfatter en venturi (110) i tilknytning til den første strømningsbanen (117) for å generere en regulerende sugekraft eller mekanisk kopling som mekanisk kopler en anordning i tilknytning til den første strømnings-banen (117) og en anordning i tilknytning til den andre strømningsbanen.

8. System ifølge krav 7, hvori kontrolleren (100) omfatter en strømningsdeler.

9. System ifølge krav 7, omfattende en ledning for å kommunisere i det minst én av strømningene til overflaten av brønnen (200).

10. System ifølge krav 7, videre omfattende: nedihulls utstyr for å tilveiebringe i det minste én strømning til kontrolleren (100).

11. System ifølge krav 10, hvori nedihullsutstyret er innrettet for å tilveiebringe i det minste to strømninger til kontrolleren (100).

12. System ifølge krav 7, hvori kontrolleren (100) omfatter en mekanisk kopling (170) for å regulere forholdet mellom strømningene.

13. System ifølge krav 7, hvori kontrolleren (100) omfatter en venturi (110) for å regulere forholdet mellom strømningene.

14. System ifølge krav 7, omfattende en første ledning for å kommunisere brønnfluid produsert fra brønnen (200) til overflaten av brønnen (200), og en andre ledning for å kommunisere vann produsert fra brønnen (200) tilbake i brønnen (200).