NO342056B1 - Fremgangsmåte og system for måling av lekkasjerate i brønnrør - Google Patents

Abstract

Et system og en fremgangsmåte for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid i et ringrom er tilveiebragt. Et formål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et forbedret system og en forbedret fremgangsmåte for å undersøke og kvantifisere lekkasjeraten av et fluid i et ringrom. Foreliggende oppfinnelse oppnår det ovennevnte formål ved bruk av en strupeventil for å fastsette en konstant tverrsnittsåpning mens det opereres med strupet strømning og registrering av massestrømning og endring i trykk.

Description

Bakgrunn for oppfinnelsen

Teknisk område

Oppfinnelsen vedrører generelt måling av lekkasjerater, og mer spesielt et system og en fremgangsmåte for undersøkelse og kvantifisering av lekkasjerate for et fluid i et ringrom.

Teknisk bakgrunn

Fra kjent teknikk kan man referere til Xu, Rong. (2002). ANALYSIS OF DIAGNOSTIC TESTING OF SUSTAINED CASING PRESSURE IN WELLS (Ph.D. Dissertation, Louisiana State University and Agriculture and Mechanical Collega). Dette dokumentet beskriver egenskaper ved SCP (Sustained Casing Pressure) i brønner, spesielt i forbindelse med oppbygging av gasstrykk.

Det skal også vises til SPE 117961: Ali Al-Tamimi m.fl. (2008), «Design and fabrication of a Low rate metering Skid to Measure Internal Leak Rates of Pressurized Annuli for Determining Well Integrity Status.”.

Denne løsningen har den ulempe at det er nødvendig å kontrollert senke trykket ned til null eller så lavt som et rimelig oppnåbart trykk.

Det skal også vises til NO 20092445, innvilget som NO 331633 og publisert som WO/2010/151144, som vedrører en fremgangsmåte og en anordning for å undersøke og kvantifisere en lekkasjerate for et fluid mellom et første rør og et andre rør, hvor det første røret er omgitt av i det minste en del av det andre røret, idet rørene er anordnet i en brønn i en undergrunn, og hvor et målearrangement som innbefatter en strømningsmåler og en trykkmåler, er satt i fluidkommunikasjon med et ringrom definert av det første røret og det andre røret, idet fluid i gassfasen blir transportert gjennom målearrangementet når ringrommet blir brukt som et separasjonskammer for gass og væske.

NO 20092445 beskriver et behov for separasjon av gass og væske hvor dette blir oppnådd ved å bruke et ringrom som et separasjonskammer for derved å eliminere behovet for en utpekt separasjonsbeholder i målesystemet. Etter tilsynelatende å ha eliminert behovet for å ha en spesiell separasjonsbeholder, beskriver dokumentet likevel muligheten for gasskondensering i målesystemet og utfellinger som væske, for eksempel på grunn av temperaturfall. Dette blir kompensert ved å bruke oppvarmede rørledninger. Tester viser at kondensasjon faktisk finner sted og at oppvarmingen av rørledningene ikke er noen enklere eller mer adekvat løsning enn en egen separasjonsbeholder i målesystemet.

Endelig skal det vises til US2007/0051511 som omtaler system og fremgangsmåte for å oppdage og lokalisere brudd i rør ved bruk av trykkventiler og trykkmålere.

Fluidet fra reservoaret omfatter olje, gass og vann når det kommer inn i en separator, og vil være blandet på grunn av de hurtige og turbulente strømningsforholdene i produksjonsrøret. I separatoren vil strømningshastigheten bli sterkt redusert og dermed også de turbulente kreftene, slik at tyngdekraften vil tillate olje, vann og gass å bli separert. Hastigheten til separasjonen av vann fra olje vil være bestemt av med hvilken hastighet vann faller gjennom oljen. Effektiviteten til et ringrom som separasjonskammer, vil derfor være avhengig av den separasjonsprosessen som gir tilstrekkelig tid før fluid blir ekstrahert fra ringrommet til ytterligere oppstrøms behandling.

Skumming er et problem, og væskesøylen kan være fylt med skum straks trykket i ringrommet blir redusert kontrollert, og opptar dermed et meget større volum enn rent «upåvirket» fluid. En ekkomåler vil registrere den øvre overflaten av skumfasen og dermed gi ukorrekt informasjon med hensyn til hvor mye fluid som har strømmet inn.

Beskrivelse av oppfinnelsen

Problemer som skal løses ved hjelp av oppfinnelsen

Et hovedformål med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe et forbedret system og en forbedret fremgangsmåte for undersøkelse og kvantifisering av lekkasjerate av et fluid i et ringrom.

Man har også innsett at behovet for å kontrollert redusere trykk til lave trykk som nærmer seg atmosfæriske trykk, resulterer i en stor trykkdifferanse mellom et ringrom og produksjonsrøret. Siden produksjonsrøret og ringrommene er lange, betyr dette at det oppstår en stor kraft som kan ødelegge integriteten til strukturen og øke en lekkasje eller også rive i stykker en vegg. Oppfinneren har derfor innsett behovet for en løsning som ikke innebærer en stor trykkdifferanse.

Det har også blitt innsett at tidligere kjent teknikk er basert på en stabil tilstand selv om det brukes en ventil til å opprettholde konstant trykkdifferanse. Disse to aspektene er ikke mulige å kombinere, og dermed er kriteriene for den stabile tilstanden i virkeligheten ikke til stede. Med en feilaktig forutsetning kan fremgangsmåten ikke være gyldig, og det foreligger en motsetning.

Selve ringrommet representerer et stort volum og er i stand til å lagre og avgi fluider. Volumet kan være omkring 30 m<3>. Volumet varierer, og det er kjent tilfeller med volumer opp til 130 m<3>. Dette betyr at den strømningsraten som måles ved overflaten, ikke nødvendigvis behøver å være lik strømningsraten gjennom et lekkasjepunkt dypt nede i ringrommet. Når et ringrom først blir åpnet for strømning, kan den innledende produksjonen på overflaten komme ene og alene fra fluider som føres ut fra ringrommet, og det kan ta en betydelig tid før strømningsraten på overflaten er lik strømningsraten ved lekkpunktet. Uttrykket «betydelig tid» innebærer lenger enn man normalt kan tillate testen å vare.

Når et ringrom er lukket ved overflaten, kan fluider fortsette å strømme gjennom lekkpunktet inn i ringrommet over like lang tid som ringrommet lagrer fluid, en prosess som er vanlig kjent som etterstrømning.

Disse effektene skyldes hovedsakelig det samme fenomenet og blir kollektivt referert til i brønntestlitteraturen som brønnlagringseffekter.

Hvis en test blir fullstendig dominert av ringromslagring, så vil disse dataene være unyttige som en kilde til lekkasjeanalyse. Ringromslagringseffekter må derfor tas i betraktning ved utformingen og analysen i forbindelse med en lekkasjetest i ringrom.

På grunnlag av disse premissene har oppfinnerne oppdaget et behov for å finne gyldige fremgangsmåter som ikke krever stor trykkdifferensial for:

A: å bestemme om en lekkasje inn i et ringrom er gjennom sement eller produksjonsrør,

B: å bestemme lekkasjerate inn i ringrom gjennom sement, og

C: å bestemme lekkasjerate inn i ringrom fra produksjonsrør eller ringrom til ringrom

Det primære behovet for oppfinnelsen

En operatør (et oljeselskap) av en olje/gass-brønn har plikt til å utføre planlagt vedlikehold for å verifisere at alle sperreelementer i brønnen virker som de skal. Dette omfatter lekkasjetesting av ventiler som er installert ved visse dybder i en brønn for det formål å føre gass fra A-ringrommet og inn i produksjonsrøret for å sikre at olje strømmer fra reservoaret til overflaten. Slike ventiler er kjent som GLV (Gassløftventiler). Slike ventiler skal være lukket når det ikke er noen trykkdifferanse mellom A-ringrommet og produksjonerøret, eller det er et høyere trykk i produksjonsrøret enn i A-ringrommet. En lukket ventil skal være forseglet for å tette. Det vil likevel være en viss sannsynlighet for en lekkasje. Én grunn til dette er at produk sjonsrør og fôringsrør blir trykktestet ved å bruke væske hvor en mindre lekkasje ikke behøver å bli oppdaget. Senere kan dette føre til det stedet hvor lekkasje oppstår når det blir utsatt for en gasstrykkdifferanse.

Midler for løsning av problemene

Formålet blir ifølge oppfinnelsen oppnådd ved

en fremgangsmåte for å undersøke og kvantifisere lekkasjerater av et fluid i et ringrom som angitt i ingressen til krav 1, og som har de trekk som er avgitt i karakteristikken til krav 1,

en fremgangsmåte for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid i et ringrom som angitt i ingressen til krav 2, og som har de trekk som er angitt i karakteristikken til krav 2, og

en anordning for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid i et ringrom som angitt i ingressen til krav 6, og som har de trekk som er angitt i karakteristikken til krav 6.

Foreliggende oppfinnelse oppnår de formålene som er beskrevet ovenfor ved bruk av en strupeventil for å fastsette en konstant tverrsnittsåpning under drift i en strupet strømning og registrere massestrømning og endring i trykk.

Ifølge et første aspekt er det tilveiebragt en fremgangsmåte for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid i et ringrom mellom et første rør og et andre rør, der det første røret er omgitt av det andre røret, hvor fremgangsmåten omfatter:

a: å lekke fluid i gassfasen fra det andre røret gjennom en første strupeventil til en første rate, mens det opereres i strupet strømning

b: å registrere trykk- og raterespons gjennom en første strupeventil over et forutbestemt tidsrom,

c: å bestemme rate (Q) og endring i trykk (dp/dt),

å gjenta trinnene a – c for å oppnå minst én avlesning mer.

Ifølge et andre aspekt er det tilveiebragt en fremgangsmåte for å undersøke og kvantifisere lekkasjeraten av et fluid i et ringrom mellom et første rør og et andre rør, der det første røret er omgitt av det andre røret, hvor fremgangsmåten omfatter:

x: å lukke en strupeventil,

y: å måle en resulterende trykkoppbygging når Q=0.

Det blir foretrukket at fremgangsmåten ifølge det andre aspektet blir utført etter å ha utført fremgangsmåten ifølge det første aspektet.

I en foretrukket utførelsesform blir det brukt et eksternt separasjonskammer som er integrert med måleanordningen.

Effekter av oppfinnelsen

De tekniske forskjellene i forhold til den teknikk som er kjent fra NO 331633, er bruken av en ekstern separator som er integrert i måleanordningen. Den tekniske virkningen av dette er muligheten til samtidig og på en pålitelig måte å bestemme fluidstrømningen av gass og fluidstrømningen av væske, hvor fluidfasene er rene faser, noe som er viktig for å få massestrømning av den lekkede gassen til å virke.

Disse effektene tilveiebringer i sin tur flere ytterligere fordelaktige effekter: det blir mulig å unngå å kontrollert redusere ringromstrykket ned til null, noe som igjen fører til reduserte påkjenninger på produksjonsrøret og miljøet,

det sparer tid siden det tar lang tid å kontrollert redusere trykket ned til null, mens foreliggende oppfinnelse krever mindre tid til å nå strupet strømning,

det er ikke nødvendig å anta at prosessen er i stabil tilstand.

Det skal også påpekes at den tidligere kjente teknikk er basert på antagelsen at strømning gjennom et målesystem på overflaten er den samme som strømningen gjennom lekkasjen. Svakheten i argumentet som foreliggende oppfinnelse overvinner, er at det er en betydelig avstand mellom de to posisjonene for kritisk strømning ved lekkasjen og målingene ved overflaten. Mellom disse er det lagret en stor gassmengde sammenlignet med den raten det er ment å måle.

Kort beskrivelse av tegningene

De ovennevnte og ytterligere trekk ved oppfinnelsen er spesielt angitt i de vedføyde patentkravene og vil sammen med deres fordeler fremgå tydeligere av den etterfølgende, detaljerte beskrivelse av et utførelseseksempel av oppfinnelsen gitt under henvisning til de vedføyde tegningene.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet nedenfor i forbindelse med utførelseseksempler som er skjematisk vist på tegningene, hvor:

Figur 1 viser en typisk utførelsesform av oppfinnelsen

Figur 2 viser et diagram av Q som funksjon av dp/dt

Figur 3 viser et diagram av P og Q som funksjon av t

Figur 4 viser en utførelsesform av en separator

Beskrivelse av henvisningstegn

De følgende henvisningstall og henvisningstegn refererer til tegningene:

Detaljert beskrivelse

Forskjellige aspekter ved oppfinnelsen blir beskrevet mer fullstendig i det etterfølgende under henvisning til de vedføyde tegningene. Denne oppfinnelsen kan imidlertid utføres på mange forskjellige måter og skal ikke anses begrenset til noen spesiell struktur eller funksjon som er presentert i denne beskrivelsen. Disse aspektene er heller tilveiebragt slik at oppfinnelsen skal bli grundig og fullstendig forstått, og vil gi fagkyndige på området full forståelse av oppfinnelsens omfang. Basert på det som beskrives her, vil en fagkyndig på området forstå at omfanget av beskrivelsen er ment å dekke alle aspekter ved oppfinnelsen som er beskrevet her, uansett om de er implementert uavhengig eller i kombinasjon med andre aspekter ved oppfinnelsen. En anordning kan for eksempel være implementert eller en fremgangsmåte kan praktiseres ved å bruke et hvilket som helst antall av de aspekter som er angitt her. Omfanget av beskrivelsen er dessuten ment å dekke en slik anordning eller en slik fremgangsmåte som blir praktisert ved å bruke en annen struktur, funksjonalitet, eller struktur og funksjonalitet i tillegg til eller i stedet for de forskjellige aspektene ved oppfinnelsen som er angitt her. Det skal bemerkes at ethvert aspekt ved oppfinnelsen som er beskrevet her, kan utføres ved hjelp av ett eller flere elementer i et patentkrav.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet med utførelseseksempler som er skjematisk vist på tegningene, hvor figur 1 viser en typisk utførelsesform av oppfinnelsen så vel som brønnen og valgte anordninger slik som fôringsrør.

Prinsipper som utgjør grunnlaget for oppfinnelsen

Oppfinnerne har funnet at ved å bruke en strupeventil i stedet for en konstant trykkdifferanse-ventil kan systemet modelleres som et trykkreservoar som svarer til produksjonsrøret, forbundet med en tank som har et visst volum, svarende til ringrommet. Fluid under trykk strømmer fra trykkreservoaret gjennom en strupeforbindelse mellom trykkreservoaret og tanken, hvor den strupede forbindelsen representerer lekkasjen. Tanken er også forbundet med et utløp som er anordningen ifølge oppfinnelsen, som har en strupeventil og midler for måling av massestrømningen.

Det underliggende prinsippet for oppfinnelsen er å bestemme lekkasjeraten Qleakved å bestemme en massestrømningsrate Q for en tilsvarende hastighetsendring i trykk dp/dt når det opereres med en strupet strømning.

Datapunktene kan tilpasses en rett linje som skjærer Y-aksen som representerer lekkasjeraten Q gjennom lekkasjen 12, som vist på figur 1 ved dp/dt=0.

Figur 2 viser et slikt diagram.

Det skal bemerkes at det er nødvendig med minst 2 datapunkter for å plotte den linjen som gir skjæringen. Likevel er det god praksis å måle flere datapunkter for å sikre at systemet opererer i den forventede, strupte strømningsraten og å sørge for annen ordens ledd eller høyere for å ta hensyn til en ikke-perfekt gass. Signifikante utslag fra den forventede oppførselen indikerer avvik fra de grunnleggende antakelsene, for eksempel at lekkasjeraten endrer seg betydelig over en tidsperiode for måling av datapunktene.

Med dette i mente er det blitt innsett at reduksjonen i praksis vil resultere i to betydelig forskjellige målemetoder som likevel er utførelsesformer av det samme oppfinneriske konseptet.

I en første utførelsesform blir trykket redusert over tid ved å lekke trykket gjennom en strupeventil inntil innføring av den strupede massestrømningen og så måle et antall datapunkter Q for en tilsvarende verdi av dp/dt.

I en andre utførelsesform blir trykket p økt over tid ved å lukke strupeventilen, å måle trykkoppbygningen når Q=0, å beregne Dp/Dt for Q=0.

Beregningen for å bestemme Qleakfra de innsamlede datapunktene, kan gjøres på flere måter. I en første utførelsesform av beregningen blir Qleakrepresentert ved Q ved dp/dt=0, bestemt ved å finne skjæringen med Y-aksen som representerer verdier av Q, mens X-aksen representerer verdier av dp/dt. I en andre utførelsesform av beregningen, blir verdien av Qleakbestemt som den asymptotiske tilnærmelsen av Q.

Figur 3 viser en plotting av Q som funksjon av tid t.

Denne fremgangsmåten vil avdekke lekkasjeraten med betydelig høyere pålitelighet og nøyaktighet enn hva som tidligere er blitt oppnådd.

Beste måter å utføre oppfinnelsen på

Den utførelsesformen av anordningen ifølge oppfinnelsen som er vist på figur 1, omfatter 3 ringrom A, B og C atskilt av produksjonsrør 3 og fôringsrør 5, 7 og 9, på en slik måte at A-ringrommet er mellom fôringsrørene 3 og 5, og B-ringrommet er mellom fôringsrørene 5 og 7, og C-ringrommet er mellom fôringsrørene 7 og 9.

Alle fôringsrørene er forseglet ved bunnen ved å bruke et tetningsmedium 11 eller sement 13.

I de utførelsesformene som er vist, er B-ringrommet fluidforbundet med målearrangementet 20 ved å bruke en ledning 22 som omfatter et rør som leder fluidet fra ringrommet til målearrangementet. Signalkabler 27 er forbundet med en første trykksensor 25 festet til A-ringrommet, og en andre trykksensor 26 festet til B-ringrommet. Disse er forbundet med tilsvarende trykkmålere 25’ og 26’ og er innrettet for å måle trykk i henholdsvis A- og B-ringrommene. Nedstrøms for målearrangementet er det i tillegg tilveiebragt en strupeventil 28 for gass-strømning og en strupeventil 29 for væskestrømning ut av separatoren.

Figuren viser et lekkasjehull 12 dannet i en del av det første fôringsrøret 5 over væskenivå LLA. Hullet er uønsket og får fluid til å strømme fra A-ringrommet til B-ringrommet på grunn av trykkdifferansen mellom de to. Et væskenivå LLBfor en væske FL i B-ringrommet danner en separasjon mellom væsken FL og gassen FG.

En del av gassen som strømmer gjennom målearrangementet, kan kondensere. Kondenseringen avhenger av trykk- og temperaturforhold i ringrommene og PVT-karakteristikkene til fluidet. Målearrangementet er forsynt med et separasjonskammer for gass og væske slik at bare gass blir ført gjennom coriolis-massemålingsenheten 23. Dermed er det ikke nødvendig å bruke et ringrom som separasjonskammer.

Ved å bruke strupeventilen 28 kan strupetverrsnittet holdes konstant under måling av trykket i B-ringrommet og gassraten Q gjennom målearrangementet. Det antas at trykken nedstrøms for lekkasjen er mindre enn, eller lik halvparten av trykket oppstrøms for lekkasjen, såkalt kritisk strømning.

Dermed vil lekkasjeraten Q uttrykt ved masse per tidsenhet av fluid gjennom lekkasjen 12, være konstant. Det skal bemerkes at Q representerer masseraten av gass, men bruken av en separator kan likevel medføre noe væske i massestrømningen.

På figur 1 er fluidet en gass. Ved å bestemme dp/dt ved forskjellige rater Q, kan man plotte verdier av Q som en funksjon av dp/dt. Punktene kan tilpasses en rett linje som skjærer Y-aksen som representerer lekkasjeraten gjennom lekkasjen 12 ved dp/dt=0.

Denne fremgangsmåten vil avdekke lekkasjeraten med en betydelig høyere pålitelighet og nøyaktighet enn hva som er oppnådd ved hjelp av kjent teknikk.

Det blir foretrukket at egenskapene til gassen er kjent. Ved å ha en enkelt avløsning er det mulig å bestemme volumetrisk gasslekkasjerate ved standardtilstander. Dette kan bestemmes ved å ha egenvekten til gassen som en del av beregningene av en volumetrisk hastighet ved standardtilstander.

Målearrangementet omfatter fortrinnsvis også et akustisk måleinstrument 30 som omfatter en signalanalysator 31 forbundet med en akustisk kilde GUN 35 med en kabel 33, som vist på figur 1. Sammen blir dette referert til som en ekkomåler, eller EM.

Formålet med EM er å tilveiebringe informasjon angående endringer i væskenivået LL i B-ringrommet. Dette kan brukes til å oppdage endringer i det innbyrdes forholdet mellom gas og væske i B-ringrommet og dermed også eventuell væskelekkasje gjennom lekkasjen 12.

Væske FL strømmer gjennom lekkasjen 12 fra A til B på grunn av trykkdifferansen mellom de to. Trykkdifferansen kan også forårsake at noe av væsken kommer inn i gassfasen i B-ringrommet.

Ved å bruke strupeventilen 28 kan strupetverrsnittet holdes på et konstant nivå eller ha en konstant åpning under måling av trykket i B-ringrommet og gassraten Q som strømmer gjennom måleapparatet. Gasslekkasjeraten kan bestemmes som beskrevet ovenfor. Væskelakkasjeraten kan dessuten måles samtidig ved å bruke ekkomåleren EM.

Alternative utførelsesformer

Et antall varianter av det ovennevnte kan tenkes. Det kan for eksempel oppstå behov for å bestemme væskenivået i separatoren. I en første utførelsesform kan væskenivået bestemmes ved hjelp av en ekkomåler eller ekkometer.

I en andre utførelsesform som er vist på figur 4, blir væskenivået bestemt ved spesifikke mellomrom ved å bruke trykkmålerne. Ved å starte med en separator som innledningsvis er fylt med gass, og ved å ha en nedre og en øvre trykkmåler forbundet med separatoren ved et laveste og et høyeste nivå, avleser de to trykkmålerne hovedsakelig samme trykk. Når separatoren er fylt med væske, vil væsketrykket øke inntil det når forbindelsen til den nedre trykkmåleren og den nedre trykkmåleren begynner å lese av et høyere trykk sammenlignet med det som avleses av den øvre måleren. Når væskenivået øker ytterligere blir også den øvre forbindelsen nådd, og ved dette punktet vil de to trykkmålerne avlese hovedsakelig den samme differansen i trykk. Når væsken blir drenert fra separatoren, blir avlesningsprosessen reversert på tilsvarende måte.

Industriell anvendbarhet

Oppfinnelsen ifølge søknaden kan anvendes til bestemmelse av lekkasjer i forbindelse med vedvarende fôringsrørtrykk (SCP).