NO803393L - Apparat til bruk ved oljeproduksjon fra dype borebroenner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår et senke-dampapparat for produksjon av damp in situ for å lette oljeutvinning fra forholdsvis dype brønner. Forstavelsen "senke" (downhole) betyr i denne forbindelse at dampapparatet er innrettet til å ned-senkes i og arbeide nede i brønnen.

Under den innledende produksjon fra en oljebrønn utnyttes trykket i gassene i oljeformasjonen. Deretter må oljen pumpes frem når gasstrykket avtar. Tilslutt vil heller ikke pumping være tilstrekkelig til å oppnå produksjon av akseptable olje-mengder og man må ty til sekundære utvinningsmetoder. Disse innbefatter termisk stimulering av brønnen ved å heve temperaturen i oljeformasjonen for å minske oljens viskositet og derved bedre dens strømningsevne.

Forskjellige former for termisk stimulering har vært brukt, innbefattende elektriske oppvarmingsapparater eller varmtvanns-apparater, forbrenning in situ, samt injeksjon av varmt vann eller damp. Av disse har dampinjeksjon mange fordeler.

Nåværende systemer for dampinjeksjon er ikke effektive i dype brønner. I de fleste slike systemer produseres dampen på overflaten og føres ned gjennom foringsrøret til bunnen av borehullet. I en dyp brønn forsvinner en betydelig varmemengde gjennom foringsrøret, og dampens temperatur og kvalitet er stort sett utilstrekkelig til å bevirke effektiv termisk stimulering av formasjonene ved bunnen av borehullet.

Tidligere forsøk på å frembringe damp in situ eller nede i borehullet har ikke vært effektive ettersom forbrenning krever at brennstoffet og luften tilføres ved samme trykk som i den fra forbrenningsinnretningen avgitte damp. De store og kompliserte luftkompressorer som må til for å frembringe slike høye trykk blir prohibitivt kostbare.

Et effektivt system for produksjon av damp med høy kvalitet og temperatur in situ er ønskelig, da det har vist seg at dersom man flømmer formasjonen med damp vil dette i vesentlig grad minske strømningsmotstan den til oljen i området ved borehullet, slik at det blir mulig å utvinne den fortrengte olje. Dampen trenger inn i og varmer opp formasjonen over en betydelig avstand, og følgelig vil oljeproduksjonen vesentlig forbedres i viskøs oljeholdig sand hvorfra pumping er upraktisk.

Ifølge foreliggende oppfinnelse tilveiebringes et .senke-dampapparat som omfatter en forbrenningsseksjon tilkoplet rør- ledninger for tilføring av brennstoff og et oksyderingsfluid for blanding og forbrenning. Apparatet innbefatter en varmeveksler som er forbundet med forbrenningsseksjonen for å opp-ta de varme gasser samt omdanne vann som mates til et separat parti av varmeveksleren til damp.

Forbrenningsgassene fra varmeveksleren føres inn i ringrommet mellom varmeveksleren og borehullets foringsrør, og strømmer deretter til overflaten. Dampen som produseres i varmeveksleren føres ned i bunnen av borehullet for oppvarming av den tilgrensende oljeformasjon.

Apparatet innbefatter en pakning som kan ekspanderes mot foringsrøret for å avsperre dampinjeksjonsområdet og forbren-ningsgassområdet, slik at de høye trykk i dampinjeksjonssonen ikke hersker i varmevekslerpartiet med de varme gasser. Føl-gelig kan trykkluften eller annet oksyderingsfluid tilføres ved de lavere trykk som hersker i forbrenningsinnretningen, istedenfor ved de høyere trykk i den injiserte damp.

Varmeveksleren innbefatter en rekke vannrør som kan være langsgående orientert slik at de varme gasser strømmer paral-lelt, eller de kan være ordnet i spiral rundt varmegasskammeret. Egnede ledeorganer er fortrinnsvis anordnet i varmevekslerens varmgasskammer samt i vannrørene for å frembringe turbulent strømning og forbedret varmeveksling.

Andre formål og trekk ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av følgende detaljerte beskrivelse i sammenheng med de vedføyde tegninger.

Fig. 1 er et lengdesnitt av et parti av et foringsrør i

en borebrønn, og viser foreliggende senke-dampapparat i ar-beidsstilling;

Fig. 2 er et snitt langs linjen 2-2 på fig. 1; Fig. 3 er et snitt langs linjen 3-3 på fig. 1; Fig. 4 er et snitt langs linjen 4-4 på fig. 1;

Fig. 5 er et snitt langs linjen 5-5 på fig. 1; og

Fig. 6 er en del av et lengdesnitt gjennom en annen utfø-ringsform av varmeveksler.

På fig. 1 - 5 er vist en senke-dampgenerator eller -apparat 10 som er innrettet til å innføres i foringsrøret 12 til et brønn-borehull. Damp produseres ved forbrenning av brennstoff og et oksyderingsfluid, såsom dieselolje og trykkluft. Forbrenning finner sted i et vannavkjølt forbrenningskammer hvorfra varme gasser strømmer til en rørformet varmeveksler. Fordampning av vann frembringer damp som injiseres ned i borehullet for øket oljeutvinning, ved å minske viskositeten til oljen i borehullformasjonen.

Foringsrørets innvendige diameter er typisk 165 mm (6V) • Følgelig utføres apparatet 10 fortrinnsvis med en utvendig diameter på ca. 140 mm, slik at der dannes et ringrom 14 mellom apparatet 10 og foringsrøret 12.

Apparatet 10 omfatter en enhet eller et hus 16 som innbefatter en forbrenningsseksjon eller forbrenningsinnretning 18 og en varmevekslerseksjon eller varmeveksler 20 med en nedadrettet forlengelse 22. Betegnelsene "øvre" og "nedre" refere-rer til apparatets 10 orientering i borehullet.

I en hensiktsmessig utføringsform har forbrenningsinnretningen 18 en lengde på ca. 1,8 m. Den er sylindrisk og innbefatter et antall vannkanaler 24 som er lukket i sine øvre ender bortsett fra en radielt innadrettet kanal 26 som forbinder kanalene 24 med en vanntilførselsledning 28 som strekker seg til overflateutstyr (ikke vist).

I tillegg til vannledningen 28 er også en oksygenledning 30, en brennstoffledning 32 og en oksyderingsfluidledning 34 tilkoplet øvre ende av fbrbrénningsinnretningen 18, idet rør-ledningene 30, 32 og 34 strekker seg inn til og kommuniserer med et innvendig kammer 36 i forbrenningsinnretningen 18.

Dieselolje og trykkluft er foretrukne forbrenningsmate-rialer, men det vil være klart at andre materialer om ønskelig kan benyttes.

Nedre ende av forbrenningsinnretningen 18 innbefatter en med gjenger utformet, innsnevret dyseseksjon 38 som bærer et egnet tennorgan skjematisk antydet ved 40.

Ved oppstarting av apparatet 10 mates oksygen og brennstoff inn i kammeret 36 og antennes ved påvirkning av tennor-ganet 40. Tennorganets 40 spesielle form er ikke vist i de-talj . ettersom det ikke utgjør noen del av foreliggende oppfinnelse. Et passende tennorgan kan være en tennplugg eller lik-nende, som påvirkes av en elektrisk ladning tilført ved hjelp av elektriske ledninger (ikke vist) som strekker seg til overflaten.

Straks apparatet 10 er startet avbrytes oksygentilførse-len og trykkluft mates til systemet for forbrenning. Den •

brennende blanding av brennstoff og luft strømmer gjennom den sentrale åpning eller dyse i seksjonen 38 og danner en nedadrettet flamme generelt angitt ved 42.

Dyseseksjonen 38 er fluidtett innskrudd i en komplementær, sentralinnløpsåpning i varmeveksleren 20. Innløpsåpningen munner ut i et langstrakt, innvendig, første parti eller gass-kammer 44 i varmeveksleren 20. I den viste utføringsform har varmeveksleren 20 en lengde på ca. 11 m og innbefatter et antall parallelle, langsgående vannrør 46 som strekker seg fra bunnenden til ca. 1,22 m fra den øvre ende. Rørene 46 har en utvendig diameter på ca. 13 mm og en veggtykkelse på ca. 1,65 mm.

Rørenes 46 øvre ender er opptatt i passende åpninger i et ringformet, sylindrisk endes tykke 4 8 som er montert i kammere-t 44. De motsatte eller nedre ender av rørene 46 er likeledes opptatt i et antall åpninger i et sylindrisk endestykke 50 som avstenger nedre ende av gasskammeret 44.

Som generelt vist i fig. 2 til 4 innbefatter varmeveksleren 20 et antall parallelle, omkretsmessig anordnede og i lengderetningen orienterte vannkanaler 52 som kommuniserer med vannkanalene 24 i forbrenningsinnretningen 18. I sine nedre ender er kanalene 5 2 avbøyd i motsatt retning for innføring av vann til de nedre ender av annet hvert varmevekslerrør 46.

Som vist i fig. 4 er rørenes 46 øvre ender via kanaler 54 forbundet med naborør 46. Vannet strømmer således oppover gjennom halve antallet rør 46, vender i kanalene 54, og strømmer nedover gjennom den andre halvdelen av rørene 46, hvorfra vannet strømmer til et antall damputløpskanaler 56 som er utformet i endestykket 50.

Det omkretsmessige arrangement av rørene 46 rundt det sylindriske kammer 44 bringer dem i et varmevekslende forhold til de varme gasser som strømmer ned gjennom kammeret 44. Bunnen eller nedre ende av kammeret 44 er konisk utformet for å lede forbrenningsgassene radielt utover inn i fire forbennings-gasskanaler 58 som, slik det fremgår av fig. 5, strekker seg radielt utover og oppover. Forbrenningsgassene strømmer således ut i ringrommet 14 og derfra opp til overflaten.

Varmeveksleren 20 innbefatter fortrinnsvis ledeorganer som er anordnet med innbyrdes avstand langs varmeveksleren • for derved å lede de varme gasser langs vidstrakte strømningsbaner som bringer gassene i gjentatt, forlenget kontakt med rørenes 4 6 omkrets for mer effektiv varmeutveksling. Ledeorganene karr f. eks. innbefatte et antall sirkulære plateelementer 60

med bueformede utsparinger i sin omkrets for sveiseforbindelse med radielt innadrettede partier av rørene 46. Vekselvis mellom elementene 60 er anordnet et antall ringformede plateelementer 62 hvert av hvilke har omkretsmessig anordnede åpninger som opptar rørene 46, og en midtre åpning som de varme gasser kan strømme gjennom. Elementene 60 og 62 er anordnet med innbyrdes avstand i kammerets 44 lengderetning nær rørene 46 og leder strømmen av varme gasser i et stort sett undulerende, vidstrakt mønster.

Fortrinnsvis innbefatter også hvert av vannrørene 46 ledeorganer eller innvendige strømningsledere i form av spirallede-re 64 som bevirker en turbulent, hvirvlendé vannstrøm for varme-overføring.

Fig. 6 viser en alternativ utførings form hvor vannrørar-rangementet har form av en skruespiral 66 som ved sin ned-strømsende eller nedre ende er forbundet med vannkanaléne 52 via en sirkulær kanal 68 i et endestykke 50a i likhet med endestykket 50 i den første utførings form. Den motsatte ende av spiralen 66 er ombøyet og strekker seg ned gjennom midten av spiralen for å forbindes med en åpning 70 som er utformet i endestykket 50a. Endestykket 50a innbefatter også radielt utadrettede kanaler 58a som svarer til forbrenningsgasskanalene 58 i den første utføringsform.

Andre former for varmeveksler vil være innlysende for en fagmann på området, selv om utføringsformen ifølge fig. 1 er funnet særlig effektiv.

På varmevekslerens 20 nedadløpende, sylindriske forlengelse 22 er montert en pakning skjematisk antydet ved 74. Pakningen 74 bæres av apparatet 10 for tettende anlegg mot forings-røret 12. Fagmenn på området kjenner til mange hensiktsmessige pakningstyper som kan bringes til å -ekspandere mot foringsrøret og tilveiebringe den ønskede fluidtette tetning. Disse kan innbefatte en type som ekspanderes ved hjelp av en fluid og krever en forbindelse (ikke vist) med en fluidkilde såsom fluid-rørledningen 34, eller en termisk påvirkbar type, eller en type som er innrettet til å bringes til anlegg ved en 'oppad-rettet trekkebevegelse i borestrengen, eller en type som brin ges til anlegg ved vridning av borestrengen. Det er sist-nevnte type som er skjematisk antydet.

* Ved drift av apparatet 10, etter at forbrenningen er inn-ledet som tidligere omtalt, og pakningen 74 er bragt til anlegg, utvikles varme gasser ved en temperatur på ca. 1760°C. Ved passering gjennom det 1,22 m lange rom mellom dyseseksjonen 38 og endestykket 48, faller temperaturen til ca. 900°C som følge av varmeoverføring, særlig ved varmgass-utstråling, til vannkanalene 52 som omgir flammesoneri 42. Dette forvarmer vannet før det når rørene 46 og avkjøler samtidig veggene i apparatet 10, slik at man unngår uønsket overoppheting.

Under strømning gjennom resten av kammeret 4 4 avgir de varme gasser ytterligere varme til det forvarmede vann i rø-rene 46. Temperaturen i vannet som strømmer opp gjennom rø-rene 46 stiger på grunn av de varme gasser og begynner å koke ved rørenes øvre ender. Idet vannets strømningsbane vender slik at vannet strømmer ned gjennom de andre rør 46, fordamper vannet og avgis som damp gjennom kanalene 5 6 og ut gjennom ut-løpet 76 i forlengelsen 22. Dampen i denne injeksjonssone har et trykk på ca. 140 Kp/cm 2 absolutt. En har beregnet at nær opptil 90 % av den varme som avgis under forbrenningsprosessen gjenvinnes i dampen for å gi en damputløpskvalitet på ca. 70%.

Forbrenningsgassene ved nedre ende av varmeveksleren 20 forlater kanalene 58 ved en temperatur på ca. 371°C. Denne temperatur er lav nok til å unngå skader på foringsrørets 12 tilstøtende vegger som følge av høy temperatur. Ytterligere varmeoverføring skjer idet forbrenningsgassene strømmer oppover gjennom ringrommet 14. Varme strømmer til de tilgrensende varmevekslerpartier som avgrenser vannkanalene 52, og videre til den omgivende jordformasjon. Temperaturen til forbrenningsgassene ved øvre ende av apparatet 10 er redusert til ca. 222°C, hvilket er et akseptabelt temperaturnivå for elektriske og andre tilkoplinger i dette område.

Dampinjeksjonssonen med det forholdsvis høye trykk er ved hjelp av pakningen 74 avsperret fra forbrenningsgass-injeksjonssonen med det forholdsvis lave trykk, i ringrommet nær kanalene 58. Følgelig trenger trykkluft til forbrenningsinnretningen 18 bare å tilføres ved et trykk som er tilstrekkelig til å overvinne mottrykket som hersker i forbrennings.gass-.. injeksjonssonen, hvilket er ca. 17,5 til 21 Kp/cm 2 absolutt. Følgelig trenger man vesentlig mindre komplisert og kostbart trykkluftutstyr, sammenlignet med det trykkluftutstyr som er nød-vendig dersom luften måtte leveres ved det trykk på 140 Kp/ cm 2som hersker i damptrykk-injeksjonssonen nær utløpet 76.

In situ-produksjonen av damp ved hjelp av foreliggende apparat 10 eliminerer fullstendig de varmetap som karakteri-serer de systemer som anvender dampgeneratorer plassert på overflaten. Dessuten medfører det beskrevne kanalsystem for varme gasser og vann at temperaturgradienter og følgelig ma-terialspenninger begrenses til et minimum, hvilket i vesentlig grad forlenger den effektive levetid og minsker vedlikeholds-kostnader.

Forskjellige modifikasjoner og endringer i forhold til den ovenstående detaljerte beskrivelse kan utføres uten å avvike fra oppfinnelsestanken.

Claims (10)

1. , Senke-dampapparat,karakterisert vedat det omfatter: et hus for anbringelse i foringsrøret til et brønn-bore-hull idet huset sammen med foringsrøret avgrenser et ringrom; en forbrenningsseksjon i huset for blanding og forbrenning av brennstoff og et oksyderingsfluid; en varmevekslerseksjon i huset, innbefattende et første parti med et innløp som er forbundet med forbrenningsseksjonen for innføring av varme gasser fra forbrenningsseksjonen, hvilket første parti videre har et utløp gjennom hvilket forbren-ningsgasser kan strømme ut i ringrommet, hvilken varmeveksler-seks jon videre omfatter et annet parti med et innløp for innfø-ring av vann og et utløp fra hvilket damp kan strømme ned i borehullet, idet nevnte annet parti er beliggende i et varmevekslende forhold til det første parti for omdanning av vannet til damp ved hjelp av de varme gasser; rørledninger forbundet med forbrenningsseksjonen og med varmevekslerseksjonens annet parti, for tilføring av henholds-vis brennstoffet og oksyderingsfluidet, samt vannet; og pakningsorgan som bæres av huset for anbringelse i ringrommet mellom utløpene til det første og annet parti, hvilket pakningsorgan er innrettet til å ekspanderes til tettende anlegg mot foringsrøret for avsperreing av det foringsrørområde som høytrykksdampen strømmer ut i fra det foringsrørområde som gassene med relativt lavt trykk strømmer ut i, hvorved brennstoffet og oksyderingsfluidet kan tilføres omtrent ved nevnte lave trykk.

2. Senke-dampapparat ifølge krav 1,karakterisert vedat utløpet i varmevekslerseksjonens annet parti er slik orientert at dampen ledes nedover.

3. Senke-dampapparat ifølge krav 1,karakterisert vedat utløpet i varmevekslerseksjonens første parti er rettet utad og oppad for å forsterke strømmen av varme gasser oppover i ringrommet.

4. Senke-dampapparat ifølge krav 1,karakterisert vedat varmevekslerens annet parti omfatter et arrangement av vannrør som omgir det første parti.

5. Senke-dampapparat ifølge krav 4,karakterisert vedat det første parti innbefatter ledeorganer for å bevirke endringer i varmgassenes strømningsretning gjennom det første parti for å forbedre varmeoverføringen fra varm-gassene til vannet i det annet parti.

6. Senke-dampapparat ifølge krav 4,karakterisert vedat vannrørene innbefatter innvendige strømnings-ledere for frembringelse av turbulent vannstrøm gjennom vann-rørene .

7. Senke-dampapparat ifølge krav 5,karakterisert vedat vannrørene innbefatter i lengderetningen orienterte, parallelle løp som omgir ledeorganene.

8. Senke-dampapparat ifølge krav 5,karakterisert vedat vannrørene innbefatter et spiralformet løp innrettet til å omslutte le"déorganene.

9. Senke-dampapparat for anbringelse i foringsrøret til et brønn-borehull,karakterisert vedat det omfatter: en forbrenningsinnretning for blanding og forbrenning av brennstoff og et oksyderingsfluid for produksjon av varme gasser; en varmeveksler som har en nedadrettet forlengelse og innbefatter et første parti med et med forbrenningsinnretningen forbundet innløp for innføring av de varme gasser, hvilket første parti videre har et utløp gje"nnom hvilket forbrennings-gasser kan strømme ut i foringsrøret for å strømme oppover gjennom foringsrøret, hvilken varmeveksler videre innbefatter et annet parti med et innløp for innføring av vann og et utløp gjennom hvilket damp kan strømme ut for å strømme ned gjennom nevnte forlengelse og inn i borehullet, hvilket annet parti er beliggende i et varmevekslende forhold i det første parti for omdanning av vannet til damp ved hjelp av de varme gasser, samt for omdanning av de varme gasser til forbrenningsgassene; rørledninger som er forbundet med forbrenningsinnretningen og med varmevekslerens annet parti for tilføring av hen-holdsvis brennstoffer og oksyderingsfluidet, samt vann; og en pakning som bæres av den nedadgående forlengelse mellom utløpene til varmevekslerens første og annet parti og som kan ekspanderes mot foringsrøret for å avsperre injeksjonsområdet med høytrykksdamp fra injeksjonsområdet med forbrenningsgass under lavere trykk, hvorved oksyderingsfluidet kan tilføres ved et trykk tilnærmet lik det lavere trykk.

10. Senke-dampapparat ifølge krav 9,karakterisert vedat det første parti er slik anordnet at de varme gasser strømmer i retning nedover gjennom det første parti idet de varme gasser strømmer fra det første partis innløp mot. dets utløp.