NO843095L - Anrodning for paavisning av gass i underjordiske broenner - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører detektering av gasser som produseres i underjordiske olje- og gassbrønner under boreoperasjoner og overvåkning av gassnivåene for å kunne opp-dage begynnende gass-tilbakeslag eller "brønnspark".

Ved konvensjonelle boreoperasjoner blir en borevæske eller boreslam sirkulert kontinuerlig mellom borkronen og brønnoverflaten. Mindre gassmengder kan være opptatt i dette sirkulerende borefluid og bli levert til overflaten, hvor de kan identifiseres av en gassdetektor. Ved konven-, sjonelle gassdetekteringssystemer suger en motordrevet vakuumpumpe luft gjennom en gassfelle montert i røret"for borefluidstrømmen, og den utfelte gass blir før .til et lokalt laboratorium. Gassen ledes så gjennom et filter,

en strømningsmåler og en gassdetektor av hetetrådbro-

typen med to glødetråder som holdes på forskjellige temperaturer for å kunne skjelne mellom våt og tørr gass. Konvensjonelle instrumenter som betjenes manuelt kan påvise så

3

lite som 0,003 m /h av gass blandet med luften som suges fra fellen. Gassdetektoren kan kobles til et registrerings-apparat, slik at signalet kommer frem på registreringsarket. Absolutte verdier av gasskonsentrasjoner kan ikke oppnås på denne måte, idet luftmengden blandet med de fluktuerende gassmengder i det sirkulerende fluid ikke forblir konstant. Relative forandringer i mengden av gass i borefluidet kan imidlertid påvises av en operatør. Ved disse konvensjonelle systemer må operatøren også kontinuerlig kompensere for .forandringer i følsomheten av føleren og må justere sitt gassdetekteringssystem basert på de relative mengder gass som påvises. F.eks. har en del konvensjonelle følerenheter en øvre grense for den gasskonsentrasjon ved hvilken de kan benyttes, mens andre følerelementer bare kan påvise forholdsvis høye gasskonsentrasjoner. Det er derfor vanlig praksis ved gassdetekteringssystemer å benytte flere følere for bruk ved forskjellige strømningsområder. Operatøren må derfor bestemme hvilken føler som må benyttes for å oppnå nøyaktig fastleggelse av gassnivåene eller -mengdene. Siden absolutte gasskonsentrasjoner ikke kan fastlegges med konvensjonelle systemer, vil operatørens anslag over nevnte nivåer.

.være gjenstand for antagelser og feil.

En annen tidligere kjent metode ved bruk av konvensjonelle manuelle følersystemer, består i å benytte en eneste føler som er i stand til å påvise forholdsvis lave gasskonsentrasjoner og å fortynne gassprøven med omgivelsesluft for å redusere den absolutte verdi av følerens signal. Tilsvarende forandringer i innstillingsfelt for å kompensere .for variabel manuell fortynning må også foretas for å kunne registrere de aktuelle gassmengder. Slike forandringer gjør det vanskelig å bestemme de nøyaktige mengder av hydrocarbon-gasser som er til stede i det sirkulerende borefluid, og boroperatøren vil derfor være usikker på om han har støtt på en gasslomme og om et gasstilbakeslag kan ventes. Disse tilfeldige forandringer i signalnivå kan også gjøre det vanskelig å anslå permanent nivået av gassen.

Oppfinnelsen vedrører et apparat for bruk ved detektering av tilstedeværelsen av brennbare gasser produsert i en underjordisk formasjon, og som er opptatt i et fluid som sirkulerer gjennom den underjordiske brønn, og omfatter et gassoppsamlende apparat, en pumpeseksjon for gass-luft-'prøver og en lokal kontrollseksjon. Brennbare gasser blir utskilt fra det sikulerende fluid ved hjelp av en gassfelle. Fluider og faste partikler blir fjernet fra gass-luft-prøven. Trykket i gass-luft-prøven økes med en pumpe med relativ fuktighet lik 100 %. Hvis trykket deretter senkes, kan det etableres en konstant relativ fuktighet av den gass-luft-,prøve som skal føres til følerne. Gass-luft-prøven blir

•ført til en diffusjonsføler for brennbar gass med konstant strømningshastighet. Gass-luft-prøven beveger seg horisontalt forbi en vertikalt anordnet føler. Denne følermontering tillater vertikal diffusjon av gasser fra gss-luft-prøven, og, innenfor de strømningsbegrensninger som er etablert ved en prøve-strømningsregulator, forblir utgangssignalet fra føleren for en kjent gasskonsentrasjon konstant. Den øvre grense for brennbare gasser med hvilke føleren kan operere er mindre enn de gasskonsentrasjoner som kan forekomme. Fortynningsluft kan injiseres i gass-luft-prøven oppstrøms for føleren for å redusere konsentrasjonen av gass som skal behandles av føleren. Den volumetriske strømningsmengdé

med fortynningsluft overskrider den volumetriske strømings-mengde uten fortynningsluft. Utgangssignalet fra føleren for den brennbare gass varierer med strømningsmengden. Et kammer er anordnet slik at utgangssignalet fra føleren med fortynningsluft imidlertid forblir konstant innenfor de variasjoner i strømningsmengde som normalt ville opptre ved normal drift av strømningsregulatoren. Utgangen fra føleren med fortynningsluft er imidlertid betydelig for-skjellig fra utgangen uten fortynningsluft. En kontroller-ende mikroprosessor korrigerer utgangen slik at det fås et nøyaktig signal for situasjoner med eller uten fortynningsluft.

På de vedføyede tegninger viser:

Fig. 1 en konvensjonell borerigg hvor gassdetektoren kan benyttes,

fig. 2 det innkoblede gassoppsamlingsaggregat, pumpeaggregatet for luft/prøve samt gassdetektorens kontrollkomponent,

fig. 3 en skjematisk illustrasjon av tilkoblingene mellom gassdetektorens komponenter og utgangsinstrumentet, ■ fig. 4 et flyteskjerna for gassdetektorsysternet,

fig. 5 et flyteskjema for strømningsregulerings-enheten og viser strømningsforløpet ved fortynning av prøven,

fig. 6 et flyteskjema for strømningsregulerings-enheten og viser strømningsforløpet ved nul1-kalibrering,

fig. 7 et flyteskjema som viser forløpet ved spenn-kalibrering for å bestemme følernes respons på en kalibreringsgass,

fig. 8 et flyteskjema for strømningsregulerings-enheten og viser flyteskjemaet hvor det er benyttet en alternativ føler,

fig. 9 et oppriss av en enkelt føler,

fig. 10 monteringen av føleren,

fig. 11 grunnriss av følerens monteringsbrakett, fig. 12 en signalkurve for følerenheten, og fig. 13 et snitt av en alternativ utførelse av en enkelt føler.

Fig. 1 viser en konvensjonell borerigg 200 hvor den foretrukne utførelse av gassdetektoren ifølge oppfinnelsen kan benyttes. Fig. 1 viser gassdetektorens fjernviser 1, den lokale kontrollboks 2 og luft-prøve-pumpe-enheten 7 anordnet på boredekket 204. Gassfellen 9 befinner seg ved leirskifersikten 202, i nærheten av de tanker som lagrer boreslam som sirku-leres oppad fra borehullet. Gassdetekterings-fjern-synsenheten 1 er vist på riggdekket og kan benyttes av boreoperatøren. En alternativ fremviserenhet 208 kan anordnes i boligseksjonen 206 eller et annet sted i nærheten.

Når en underjordisk brønn for gass eller olje bores, blir et fluid sirkulert kontinuerlig gjennom borehullet, fra overflaten til området for borkronen og tilbake til overflaten. Dette fluid benevnes i •almindelighet boreslam. Boreslam er en blanding av leire, vann og kjemiske tilsetninger som pumpes ned i borehullet gjennom borestrengen og borkronen. Slammet kjøler den roterende borkrone, smører borestrengen når denne roterer, fører borkaks til overflaten samt sørger for at veggen i borehullet ikke smuldrer eller faller sammen. Boreslammet tilveiebringer også et hydrostatisk hode som forhindrer fremmede fluider, in-kludert de gasser som er tilstede i underjordiske formasjoner, i å trenge inn i borehullet eller raskt å unn-slippe borehullet. På denne måte kan trykket nede i brønnen kontrolleres under boring. Fluider produsert i underjordiske formasjoner vil imidlertid uunngåelig bli innført i boreslammet og vil bli sirkulert til overflaten. Fig. 1 viser leirskifer-sikten 202 hvor borkaks blir utskilt fra boreslammet. Ved denne sikt 202 er boreslammet tilgjengelig, slik at gasser som befinner seg i slammet kan oppsamles i gassfellen 9. Ved en konvensjonell borerigg vil sikten 202 være den første stasjon hvor boreslammet er tilgjengelig etter at det returneres fra borkronens omgivelser og gjennom borehullet til overflaten.

Ettersom brennbare væsker og gasser kan blande

Ettersom brennbare væsker og gasser kan blande seg med boreslammet, vil omgivelsene ved leiskifersikten normalt anses som et kritisk område, idet flammer ofte opptrer her. På fig. 2 er det vist en ledning eller prøvestrømningsrør 30 som forløper fra gassoppsamlings-fellen 9 til luftprøve-pumpe-enheten 7 som holdes adskilt fra nevnte kritiske område. Gasser oppsamlet i fellen blir ført gjennom ledningen 30 til pumpen 7, og blir deretter ført til kontrollorganet 2. Følere til å registrere det relative nivå av brennbare gass i prøven,

som er oppsamlet fra boreslammet, er anbragt i kontrollorganet 2. Signaler fra føleren og tilhørende utstyr ved kontrollorganet 2 blir så overført til enhetene 1 og 208, som kan være anordnet i mindre kritiske områder.

Fig. 2 viser gass-oppsamlingsenhetens komponenter og elementene av luftprøvepumpen og strømningskontroll-enheten. Gassfellen 9 er anordnet ved leirskifersikten idet det nedre parti av sikthuset 16 strekker seg neden-for slamnivået, slik at porten 18 som strekker seg inn i slamhuset befinner seg i boreslammet. I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er huset 16 tilstrekkelig langt slik at gassfellen 9 kan benyttes for varierende slam-nivåer som kan være aktuelle under boreoperasjoner. Et røreverk 12 som er anbragt i gassfellens hus og drives av en trykkluftmotor 14 er også anbragt for å strekke seg ned i slammet. Røreverket 12 bryter opp det strømmende

.fluid og frigjør gasser som inneholdes i det sirkulerende boreslam. Motoren 14 drives av riggens lufttilførsel som tilføres via en ledning 26. Et luftfilter 20, en trykk-luf tregul ator 22 og en luftsmøreinnretning 24 forbereder riggtrykkluften for drift av den konvensjonelle motor 14. Inneholdt gass som er frigjort ved hjelp av røreverket 12 blir blandet med omgivelsesluft som innføres i gassfellens hus via et innløp 15. Den frigjorte produserte gass blandet med omgivelsesluft strømmer så inn i prøve-strømningsrøret 30, først via en vertikalt forløpende seksjon 30a.

Den produserte gass som er frigjort fra boreslammet

i gassfellen 9 vil normalt være brennbare hydrocarboner frigjort fra underjordiske formasjoner som gjennomtrenges av brønnborehullet. Elektriske apparater som vil kunne antenne disse brennbare gasser er derfor ikke anbragt i nærheten av gassoppsamlingsenheten. Videre er tempera-.turen av boreslammet ved sikten vanligvis høyere enn temperaturen av den omgivende luft ved brønnoverflaten. Brennbare gasser som inneholdes i det varmere boreslam vil også ha en temperature som er høyere enn omgivelses-luften. Den vertikale seksjon 30a av prøvestrømnings-røret 30 vil utgjøre et middel for å transportere gass-luf t -bl åndingen bort fra gassfellen 9 og bort fra området med de høye temperaturer ved overflaten av slamtankene.

Det kan påregnes at blandingen i form av gass-luft-prøven oppsamlet i gassfellen 9 vil inneholde en stor mengde vanndamp. Et vertikalt parti 9a vil bidra til at i det minste en del av denne vanndamp kondenserer. I det minste en del av de fluider og faste partikler som inneholdes i gass-luftprøven vil også ha tendens til å felles ut ved tyngdekraften etterhvert som luft-gassprøven beveger seg gjennom den vertikale seksjon 30a. Hastigheten av gass-luftprøven i den vertikale seksjon 30a vil være util-strekkelig til å transportere særlig meget av de de inneholdte partikler og væsker til nedstrømspartiet av lednin-igen 30 .

En seksjon 30b av luftprøveledningen forløper fra seksjonen 30a til et glykolreservoar 8 gjennom hvilket gass-luftprøven bobles. Glykolreservoaret tjener til å fjerne fuktighet og andre væsker eller partikler som måtte være igjen i gass-luftblandingen. Gass-luftprøven over-føres så fra glykolreservoaret via den neste nedstrøms-seksjon av prøveledningen 30 til et kondenseringsreser-voar i nærheten av prøve-enheten og kontrollenheten. Ved den foretrukkne utførelse av oppfinnelsen er en kondensat-felle 6 anordnet på en monteringsstender 3. Kontrollorganet 2 er også anordnet på monteringsstenderen 3, like

•over prøve/luftpumpe-enheten 7. En kalibreringsgasskilde ' 5

og en hertil hørende trykkregulator 4"er også anordnet i nærheten av kontrollenheten 2 ved hjelp av en egnet forbindelse som strekker seg fra kalibereringsgass-regulatoren til kontrollenheten 2.

Fig. 3 viser den innbyrdes kobling mellom gass-detekteringssystemet og én eller flere fjernfremvisnings-anordninger. Digitale eller analoge utgangsdata kan til-føres via den lokale kontrollenhet til en flerhet av utgangsfremvisere lia - lid. Signaler kan f.eks. vises ved hjelp av et Visulogger I eller Visulogger II system. Visulogger er et registrert varemerke for Totco, Inc., som er et datterselskap av Baker International Corp.. Visulogger-systemene omfatter mtkroprosessorbaserte fjernfremvisningssystemer ved hvilke boreparametre eller tripparametre kan vises på et fjerntliggende sted. F.eks. kan relevante boreparametre vises for boroperatøren under boreoperasjoner. Hvert va Visulogger-systemene omfatter en innebygget sikkerhetssperre-enhet eller koblingsboks med passiviseringsmidler som begrenser spenning og strøm som mottas eller overføres fra den lokale kontrollenhet 2. En måleverdi for den gass som detekteres i det sirkulerende borefluid kan være utgangsdata på Visulogger-systemene sammen med andre relevante boreparametre. Som et alternativ kan en separat fjerntliggende fremviser 11b som bare har utgangssignaler for detektert gass også benyttes. En total gassregistrering kan også vises i form av en strimmel ved hjelp av en skriver lid.

Oppsamlingen, transporten, behandlingen og avfølingen av en brennbar gass som inneholdes i sirkulerende borefluid er skjematisk vist på fig. 4-8. Fig. 4 viser gassoppsamlingsenheten omfattende gassfellen 9, luftprøve-pumpe-enheten 7 og den lokale kontrollenhet 2, og illu-strerer strømningen av gass-luftprøven fra leirskifer-sikten til gassfølere 112 og 114. Som mer detaljert beskrevet i forbindelse med fig. 2, oppsamles en gass-luftblanding av gassfellen 9 og overføres via prøvestrømnings-ledningen 30 til et glykolreservoar 8 og en kondenserings-.felle 6. Under føringen av denne prøve gjennom strøm- ningsledningen 30, blir gass-luftprøven kjølt, først i den vertikale seksjon 30a. Etter at gass-luftprøven har passert gjennom glykolreservoaret 8 og kondenserings-fellen 6, vil en betydelig mengde fuktighet og andre forurensninger, så som faste partikler inneholdt i fluidstrømmen, være fjernet. Gass-luftprøven blir så ført gjennom prøveinnløpet 32 til luftprøvepumpen 7.

Trykket i gass-luftblandingen i strømningsledningen 30 ved innløpet 32 vil normalt være under omgivelsestrykket. En membranpumpe 34 med to membraner 34a og 34b som drives av en enkelt motor 34c er anbragt nær prøve-innløpet 32. Gass-luftprøven i ledningen 30 blir ført inn på bare den ene side av membranpumpen 34. Etter å ha passert pumpetrinn 34a, vil trykket i gass-luftblåndingen i ledningen 36 væreøket til over omgivelsestrykket. Gass-luftblandingen i ledningen 36 vil vanligvis være mettet eller på det nærmeste mettet med vanndamp og kan inneholde overskudd av vanndråper. Et koalescerende filter 38 er montert i ledningen 36 og overskytende fuktighet vil bli fjernet under passasje gjennom dette filter. Umiddelbart nedstrøms av koalesceringsfilteret 38, i ledningsseksjonen 40, vil gass-luftblandingen bli hovedsakelig mettet. En prøve-trykkregulator 42 er anbragt nedstrøms av filteret 38, og regulatoren 42 reduser-er trykket i gass-luftprøven til omtrent 1 kg/cm2 . Siden mengden av vanndamp i gass-luftprøven forblir konstant

. mens denne beveger seg gjennom regulatoren 42, vil fuktighetsgraden av gass-luftprøven bli redusert til en verdi mindre enn 100 %, fordi partialtrykket av vanndampen i gass-1uftblandingen i ledningsseksjonen 40 er mindre enn metningstrykket i ledningsseksjonen 44, hvilket resulterer i en reduksjon i relativ fuktighet etter at trykket i systemet er senket ved hjelp av prøvetrykkregulatoren 42. Mengden av vanndamp i gass-luftblandingen i prøvestrøm-ningslinjen vil forbli konstant gjennom gassdetekteringssystemet nedstrøms av prøvetrykkregulatoren 42. Således vil fuktighetsgraden av gass-luftblandingen som avføles

■av følerne 112 og 114 være konstant på en verdi under

100 %.

En bypass-ledning 46 er tilkoblet prøveledningen

44 nedstrøms av prøve-trykkregulatoren 42. En konvensjonell bypass-strømningsregulator 48 anordnet i ledningen 46 opprettholder et konstant differensialtrykk på mot-satte sider av en åpning anordnet nedstrøms for strøm-.ningsregulatoren. En konstant strømningsmengde av gass-luftblandingen er således etablert gjennom denne åpning. Bypass-ledningen er tilkoblet en ventilasjonsåpning 52 nedstrøms av regulatoren 48. En andel av gass-luftprøven i ledningen 44 kan derved uttas via ledningen 46 ved konstant strømning. Den resterende del av gass-luf tblandingen i ledningen 44 kan så føres gjennom et prøveutløp 54 inn i et prøverør 82. Det reduserte volum av gass-luftblandingen som forlater luftprøve-pumpe-enheten kan transporteres raskere til følerne, slik at fluktua-sjoner i konsentrasjonen av gass i gass-luftblandingen kan detekteres raskere av følerne 112 og 114. Av større betydning er det at bypass-strømningsregulatoren 48 sikrer at luft blir suget inn i systemet ved gassoppsam-lingsstasjonen i tillegg til de inneholdte gasser som fri-gjøres fra boreslammet. På denne måte vil den gass-luft-prøve som opprinnelig ble levert til systemet ha fått

redusert gasskonsentrasjon. Metning av systemet når store mengder gass er tilstede i boreslammet, hvilket ville skje

■ved et brønnspark, kan således forsinkes, og relevante nivåer av gasskonsentrasjon kan detekteres.

Gass-luftprøven transporteres fra luftprøve-pumpe-enheten 7 til den lokale kontrollenhet 2 ved hjelp av grenrøret 82. Røret 82 kommuniserer med et prøveinnløp 92 for å føre gass-luftblandingen inn i en ledning 94 i den lokale kontrollenhet. En vanlig solenoidventi 1 96 er anordnet i ledningen 94. I utførelsen på fig. 4 er solenoidventilen vist med to innrettede porter som er åpne for å tillate gjennomstrømning. En tredje port, vist skra-vert, er vist i lukket stilling på fig. 4. I hvert av de flyteskjemaer som omhandles her, er det skraverte utløp av en konvensjonell solenoidv._entil lukket. Gass-luft-blandingen i ledningen 94 blir ført gjennom solenoidventilen til en prøvestrømningsregulator 98. Prøvestrøm-ningsregulatoren 98 er en konvensjonell anordning innrettet til å opprettholde et konstant differensialtrykk over en nedstrøms åpning, skjematisk vist ved 102. Et konstant differensialtrykk over åpningen 102 resulterer videre i en konstant volumetrisk strømning gjennom åpningen 102 og i ledningen 108 nedstrøms. Det vil selvsagt forstås at konvensjonelle massestrømningsregulatorer kan benyttes istedenfor de volumetriske strømningsregulatorer som er benyttet her. Etter å ha passert åpningen 102 blir gass-luf tblandingen ført gjennom en strømningsindikator 106 som fastslår om gass-luftblandingen strømmer gjennom. . Hvis ingen gass-luftblanding strømmer gjennom indikatoren 106, vil denne overføre et signal som indikerer at ethvert signal fra følerne 112 og 114 skal ignoreres. I utførel-sen på fig. 4 passerer gass-luftblandingen i ledningen .108 og deretter gjennom en vanlig solenoidventil 110 som tillater strømning inn i følerinnløpet 144. Gass-luft-blandingen blir således ført frem til føleren 112 med kon-i

stant volumetrisk strømning og med konstant relativ fuktighet under 100 %. I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen omfatter følerenheten 112 en føler, vanligvis kalt hetetrådsføler, som kan inkludere en katalysatorperle som kan detektere tilstedeværelsen av brennbare gasser. En ventilasjonsåpning 140 er anordnet nedstrøms for føleren 112, og all gjenværende gass-luftblanding og enhver mengde brennbare biprodukter som måtte være dannet ved driften av føleren blir luftet ut til atmosfæren.

Konvensjonelle følere for detektering av brennbare gasser har en øvre grense for den detekterbare gasskonsentrasjon. F.eks. kan en føler av den konvensjonelle hete-trådtype eller av katalysatorperletypen ha en øvre grense tilsvarende 5 % gasskonsentrasjon i gass-luftblandingen. Denne relativt lave grense for den gasskonsentrasjon som kan detekteres ved hjelp av konvensjonelle følere er ufor-enlig med de gasskonsentrasjoner som kan ventes å opptre når en betydelig gassmengde fremstilt i en underjordisk formasjon er opptatt i det sirkulerende fluid som fri-gjøres ved gassfellen 9. En strømningsvei for fortynningsluft er tilveiebragt i . luftprøve-pumpe-enheten 7 og den lokale kontrollenhet 2 for ytterligere å fortynne gass-luftprøven når den opprinnelige gasskonsentrasjon i prøven overskrider en på forhånd bestemt verdi . Når føleren 112 detekterer en gasskonsentrasjon lik den forutbestemte øvre grense, blir egnede styremidler aktivert for å åpne strømningsveien for fortynningsluft for kommunikasjon oppstrøms for føleren 112. Denne fortynningsluft-strømning er vist på fig. 4 og 5. Fig. 4 viser strøm-ningsveien i lukket stilling. Omgivelsesluft innføres via et inntak 56 og pumpes gjennom membrantrinnet 34b som drives av pumpemotoren 34c. Omgivelsesluftenen i ledningen 58 nedstrøms for pumpe-enheten passerer gjennom et koalescerende luftfilter 60 for å fjerne forurensninger og kondensert vanndamp. Luft strømmer deretter fra filteret 60 til en luftstrømningsregulator 64, lik strøm-ningsregulatorene 48 og 98, for å opprettholde et konstant 'differensialtrykk over en åpning anordnet nedstrøms for hoved-strømningsregulatorinnretningen. Omgivelsesluft med konstant volumetrisk strømning går ut fra luftpumpe-enheten via utløpet 68 til strømningsledningen 84. Ledningen 84 kommuniserer med innløpet 86 i det lokale kontrollorgan. I utførelsen på fig. 4 passerer omgivel-sesluften som er innført gjennom innløpet 86 gjennom den konvensjonelle solenoidventil 116 og ventileres til luft. Når konsentrasjonen av brennbare gasser som innføres via ledningen 108 til føleren 112 overskrider den på forhånd bestemte øvre grense, aktiveres solenoidventilen 116 for å innføre fortynningsluft ved konstant volumetrisk strømning i ledningen 118.

Fig. 5 viser stillingen av solenoidventilen 116 når fortynningsluft skal innføres i ledningen 118. Ledningen 118 kommuniserer med prøvestrømningsledningen 108 opp-strøms for følerens solenoidventil 110. Fortynningsluft blir blandet med den opprinnelige gass-luftblanding for å fortynne gassen til en konsentrasjon som kan detekteres av føleren 112. Når fortynningsluft føres inn i ledningen 108, blir den volumetriske strømning av den fortynnede gass-luftblanding større enn den volumetriske strømning av den opprinnelige gass-luftblanding. Strømningsmengden av den fortynnede gass-luftblanding er imidlertid konstant idet den volumetriske strømning av den opprinnelige gass-luftblanding er konstant og den volumetriske strømning av fortynningsluft som innføres i ledningen 108 også er konstant. Følerene 112 må være i stand til adekvat å detektere gasskonsentrasjonen ved både den opprinnelige volumetriske strømning og ved den volumetriske strømning av den fortynnede gass-luftblanding.

Gassdetekteringssystemet ifølge den foretrukne ut-førelse av oppfinnelsen omfatter midler for automatisk kalibrering av følerene for å sikre at variasjoner i følersensivitet over tid, eller variasjoner i omgivelses-temperatur eller relativ fuktighet ikke feilaktig blir tolket som en indikasjon på en forandring i konsentrasjonen av gasser opptatt i det sirkulerende borefluid. Fig. 6 viser tilstanden av den lokale kontrollenhet 2 for levering av omgivelsesluft bare til føleren 112 for kalibrering av følerens reaksjon på en prøve som ikke inneholder detekterbare gasser. Strømmen av fortynningsluft

gjennom ledningen 118 går uhindret i flyteskjemaet på fig.

6. Imidlertid blir strømmen av luft for prøven inn i den lokale kontrollenhet ved innløpet 92 avbrutt av solenoidventilen 96. Ventilen 96 har endre stilling i forhold til fig. 5 for å blokkere strømmen av gass-luftblandingen for prøven. Solenoidventilen 101 er også blitt aktivert for å lufte enhver forekommende luft-gassprøve i regulatoren 96 gjennom en lufteåpnig 138. I denne driftstilstand blir bare fortynningsluft i ledningen 118 utsatt for føleren 112, hvorved oppnås en nøyaktig null-avlesning for føleren 112. I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen, vil null-kalibreringen finne sted periodisk. Passende programvare i den styrende mikroprosessor vil betjene de

aktuelle solenoidventiler for kalibrering.

En alternativ strømningsvei ville også kunne benyttes for å styre null-kalibreringen. Lukning av solenoidventilen 116 for å hindre strømning av fortynningsluft i ledningen 118 og åpning av solenoidventilen 101 ville fortsatt utsette føleren 112 for omgivelsesluft som ikke inneholder detekterbare gasser, hvis solenoidventilen 96 forblir i den på fig. 6 viste lukkede stilling. Fortynningsluft i ledningen 120 ville gå gjennom solenoidventilen 122 og solenoidventilen 96 og ville passere gjennom strømningsregulatoren 98. Regulatoren 98 ville regulere den volumetriske strømning av omgivelsesluft og holde denne på en verdi svarende til den normale volumetriske strømning av gass-luftblandingsprøven. Selvsagt vil det : være en innledende strømning av gass-luftblanding i ledningen 108, men etter at den opprinnelige gass-luftblanding er strømmet ut av ledningen 108, vil bare omgivelsesluft med en volumetrisk strømning lik den normale gass-luf tblandingstrømning reagere med føleren 112. Skjønt reaksjonen av føleren 112 er avhengig av strømningsgraden av gass eller luft den utsettes for, vil fraværet av en

i ■

detekterbar gass enten i fortynningsluften eller i den omgivende luft som passerer gjennom strømningsregulatoren 98 gi den samme null-avlesning.

I tillegg til kalibrering av null-avlesningen for føleren 112, er det også nødvendig periodisk å kalibrere spennvidden av reaksjonen av føleren 112 på en detekterbar gass med kjent konsentrasjon. Fig. 7 viser utformningen av gass-detekteringssystemet for denne kalibrering. Den normale strømning av gass-luftprøven er blitt avbrutt ved å lukke solenoidventilen 96. I utformningen på fig. 7 blir strømningen av fortynningsluft inn i ledningen 108 avbrutt ved å lukke solenoidventilen 116 og ved å lukke ledningen 120 ved betjening av solenoidventilen 122. En kalibreringsgass som befinner seg i et reservoar 5 inn-føres i den lokale kontrollenhet via en åpning 128. I den foretrukne utførelse av oppfinnelsen omfatter den detekterbare gass i reservoaret 5 methan med en konsentrasjon på 2,5 %. En konvensjonell trykkregulator 124 opp-. rettholder trykket i kalibreringsgassen som innføres ved innløpet 128 på en verdi som er forenlig med gassdetektoren. Ventilen 122 som stenger ledningen 120 og åpner ledningen 130 innfører kalibreringsgass via solenoidventilen 96 til prøve-strømningsregulatoren 98. Ved denne utførelse blir kalibreringsgass ført til føleren 112 med samme volumetriske strømning som for den vanlige gass-luftblandingsprøve. På denne måte kan reaksjonen av følerene 112 på en detekterbar gass med kjent konsentrasjon benyttes til å kalibrere systemet og å tilveiebringe en nøyaktig avlesning av konsentrasjonen av detekterbare gasser i gass-luftblandingsprøven. Reaksjonen av føleren 112 kan kalibreres ytterligere ved å åpne solenoidventilen 116 for å innføre fortynningsluft med kjent og konstant .volumetrisk strømning i ledningen 108 for innblanding i kalibreringsgassen. Siden den volumetriske strømning av såvel fortynningsluften som kalibreringsgassen er konstant, vil også konsentrasjonen av kalibreringsgassen være konstant og på samme verdi som fortynningsluftstrømningen. Følerens 112 reaksjon kan således foregå ved fortynnings-(luft-strømningsgraden .

Ved den foretrukne utførelse av oppfinnelsen blir null- og spennviddekalibreringene utført med jevne inter-valler. Siden ventilen 96 er lukket under både null- og spennviddekalibreringene, kan ingen målinger av gasskonsentras jonen i gass-luft-blandingsprøven foretas under kalibreringssekvensen. Imidlertid vil konsentrasjonen av gasser produsert fra underjordiske formasjoner kunne ligge på et betydelig nivå på tidspunktet for gjennomføring av en regulær kalibrering. Denneøkede gasskonsentrasjon eller "gas show" kan indikere et begynnende brønnspark og det kan være ønskelig konstant å overvåke de økende gass-nivåer i gass-luft-blandingen. Derfor kan programvaren i mikroprosessoren som styrer driften av gassdetekteringssystemet programmeres til å forhindre enhver kalibrerings-sekvens hvis nivået av gass detektert av følerne ligger over et forutbestemt nivå. Kalibrering ville bare finne sted etter at gassnivåene er redusert eller etter manuell beskjed fra boroperatøren.

Ved den foretrukne utførelse er det anordnet to følere

112 og 114. Føleren 114 er tilføyet som hjelp for føleren 112. Solenoidventilen 110 er innrettet til å styre strøm-■ ningen enten til føleren 112 eller til føleren 114. I utførelsen på fig. 5 - 7 er det bare føleren 112 som utsettes for en gass-luft-blandingsprøve. I utførelsen på fig. 8 er stillingen av solenoidventilen 110 endret ved styring fra mikroprosessorenheten, eller som et resultat av manuell styring, og gass-luftblandingsprøven påvirker den identiske føler 114. Mikroprosessorstyre-enheten kan avgjøre om det har skjedd forandringer i følerens referan-sespenning eller signal svarende til en gasskonsentras jon på null, ut over en forutbestemt avvikelse. Mikroprosessoren kan også detektere om følerens spenning eller signal kontinuerlig er lik en forutbestemt maksimumsverdi ut over en forutbestemt tid. Hvis referansesignalavvikelsen er betydelig, vil mikroprosessoren innlede en kalibrerings-prosedyre ved innføring av kalibreringsgass til føleren. Hvis følerens utgangssignal er lik en maksimumsverdi

over for lang tid, kan fortynningsluft innføres til føleren, og enhver forandring i følerens utgangssignal kan 'detekteres. Hvis følerens utgangssignal ikke endrer seg, kan en fullstendig kalibrering igangsettes. En utilfreds-stillende følerreaksjon på kalibrering vil automatisk føre strømningen av gass-luft-prøven til den annen føler. Egnede styreanordninger kan også tilføyes for å- avgjøre om føleren er blitt forurenset.

Gassdetekterihgssystemet ifølge den her beskrevne foretrukne utførelse benytter en kommersielt tilgjengelig følere for detektering av brennbar gass til å detektere tilstedeværelsen av brennbare gasser i sirkulerende bore-fluida. Ved den foretrukne utførelse ifølge oppfinnelsen blir det som føler for brennbare gasser benyttet modell 550 som produseres av Delphian Corporation. En beskrivel-se av den benyttede føler finnes i US-PS 4 305 724. Denne føler er en føler med katalytisk perle av hetetrådtypen og benytter en elektrisk ledende platinatråd. Når en blanding av brennbar gass eller damp i luft beveger seg i nærheten av den elektrisk ledende platinatråd, blir den brennbare gass oksydert. Den føler som benyttes i den foretrukne utførelse av oppfinnelsen benytter en platinatråd innkapslet i en keramisk perle som er belagt med en høyaktiv palladium- eller platinakatalysator. Denne oksy-dasjonsreaksjon er eksoterm, hvilket vil bevirke en økning i perlens temperatur og en resulterende økning i den elektriske motstand i den lille platinavikling som er innkapslet i den keramiske perle. Endringen av motstand i den innkapslede platinavikling er proporsjonal med mengden av kjemisk energi som er frigjort ved oksydasjonsreak-sjonen. Det benyttes en Wheatstone-bro med konstant spenning eller strømstyrke og den elektriske kraft til perlen reduseres etterhvert som temperaturen øker, mens den elektriske motstand i den innkapslede platinavikling :holdes hovedsakelig konstant. Reduksjonen i elektrisk kraft er lineært proporsjonal med konsentrasjonen av brennbar gass. Ved å forhindre betydelige temperaturøk-ninger, blir svekket følsomhet og utbrenning, som ville kunne forventes å opptre i tidens løp, redusert.

Dette konvensjonelle følerelement er av diffusjonstypen. En sentral flammesperre eller et metallfilter, så som en duk av rustfritt stål eller et trådnett omhyller følerelementets katalytiske perle. Det opprettes likevekt mellom den innadrettede diffunderende gass-luftblanding og den utadrettede diffusjon av forbrennings-biprodukter. Føleren som benyttes ved den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er en føler av diffusjonstypen for kontinuerlig registrering av brennbare hydrocarboner. Skjønt følere av denne type har vært benyttet i forbindelse med gass-brønner, er disse følere av diffusjonstypen primært beregnet på registrering fremfor kvantifisering av nivået av omgivende brennbare hydrocarboner.

Ved den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er hver føler 112 eller 114 anordnet for å detektere nærværet av brennbare hydrocarboner i en bevegelig strøm som kommer inn gjennom banen 108 og går ut gjennom åpningene 140 eller 142. Fig. 9 viser en følermontasje-enhet med en innløpsledning 144 som via solenoidventilen 110 kommuniserer med ledningen 108, og et utløp 140 som kommuniserer'med en lufteåpning anordnet for å fjerne eventuelle brennbare gasser uten noen betydelig fare for eksplosjon. Ut-luftning på denne måte kreves av de gjeldende sikkerhets-bestemmelser. Gass-luftblandingen som tilføres følerne føres derfor forbi følerne i en kontinuerlig bevegelig strømning.

Fig. 9 viser føleren 112 montert i vertikal stilling på en monteringsbrakett og festet til et- strømnings-kammer 146. Signalledninger 152 strekker seg fra føleren og er forbundet med mikroprosessoren som benyttes for å overføre signaler til passende utgangsindikatorer for å bearbeide signaler mottatt fra føleren. Den keramisk be-lagte platinatråd og trådnett-diffusjonsfilteret (ikke vist) som inngår i den viste konvensjonelle føler, er

.anordnet innenfor følerelementet 112 over strømningskam-meret 146. Strømningskammeret er festet til føleren ved hjelp av flere bolter 148 som er festet i strømningskam-merets 146 basis. Kammeret 146 består av en opprett-stående sirkulær sylinder som er åpen ved sin øvre ende og omfatter en integrert basis 146b ved den nedre ende av de sylindriske vegger 146a. Innløp og utløp som er

i

innbyrdes innrettet er anordnet overfor hverandre i den sylindriske vegg 146a. Innløp og utløp sørger for kommunikasjon mellom ledningen 144 og det indre kammer samt for lufting gjennom åpningen 140. Både inn- og utløp er anbragt på avstand fra den øvre flate av basisen 146b, og tverrsnittsarealet som begrenses mellom kammerets sylindriske vegger 146a er større enn tverrsnittsarealet av innløpet eller utløpet. Derfor vil en strøm inn i kammeret til å begynne med bli retardert og deretter aksele-rert når den forlater kammeret gjennom åpningen 140. Tur-bulens blir imidlertid minimalisert ved innrettingen av

inn- og utløpet og ved deres avstand fra strømningskam-merets basis. Ved den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er innløpsledningen 144 og utløpsledningen 140 orientert i horisontal konfigurasjon med føleren orientert vertikalt. Herved strømmer gass-luft-blandingsprøven horisontalt mellom inn- og utløp, og brennbare gasser når f ølerelementet ved vertikal diffusjon. Følerelemen tet 11.2

er opptatt i den øvre ende av det sylindriske strømnings-kammers vegger 146a og en O-ring-pakning 150 forhindrer diffusjon av gasser utvendig på føleren 112. Alle vertikalt diffunderende gasser som når følerelementets kjeramiske perle må passere gjennom metalltråd-diffusjonsfilteret som opprettholder likevekt mellom innadrettede diffunderende gasser og utadrettede diffunderende brennbare biprodukter.

Konvensjonelle følere av den nevnte type oppviser

en følersignalfølsomhet overfor varierende strømnings-hastighet for en konstant gasskonsentrasjon. Ved konvensjonelle følere forblir følersignalet hovedsakelig konstant for lave strømningshastigheter, men begynner å øke dramatisk ved midlere strømningshastigheter. Føler-signalet når imidlertid et maksimum og begynner å avta vesentlig endog ved større volumetriske strømninger hvis ikke den inngående strømning tillates å diffundere og er hovedsakelig stasjonær i nærheten av føleren. Det fore-liggende gassdetekteringssystem må imidlertid vedlikeholde en kontinuerlig strømning forbi føleren for å kunne levere en gass-luftblanding med tilstrekkelig hastighet til å oppnå en forholdsvis rask reaksjon på endringer i gasskonsentras jonene og for å lufte ut gass-luftblandingen til et sikkert sted. For å redusere hastigheten av den inn-kommende gass-luftblanding til en strømningshastighet hvor følersignalet er uavhengig av strømningshastigheten, ville det være nødvendig med et upraktisk stort strømningskammer eller fordelingskammer i nærheten av føleren. Det er

imidlertid konstatert at ved montering av en konvensjonell føler i strømningskammeret 146, vil en signalfølerrespons som vist på fig. 12 kunne oppnås. For en konstant gasskonsentras jon vil følersignalet forbli hovedsakelig konstant ved lave strømningshastighetsnivåer, men vil øke på konvensjonell måte ved midlere strømningshastighetsnivåer. Ved høye nivåer vil imidlertid følersignalet bli konstant, men på et høyere nivå enn det opprinnelige følersignal for lave strømningshastigheter. I en gassdetektor omfattende den foretrukne utførelse av oppfinnelsen er den innledende strømningshastighet av gass-luftblandingsprøven som inn-

føres gjennom regulatoren 98 og ledningen 108 hovedsakelig lik verdien representert ved 152 og ligger innfor det området av strømningshastigheter hvor følersignalet forblir hovedsakelig konstant. Når fortynningsluft til-settes via ledningen 118, faller den økede strømnings-hastighet av fortynningspuften pluss gass-luftblandings-prøven som kommer inn via regulatoren 98 i nærheten av punktet 154 til strømningshastigheter hvor følersignalet er hovedsakelig konstant og på et høyere nivå enn ved punktet 152. Da de normale strømningshastigheter i de to strømningskategorier av interesse ligger i de separate konstante områder, vil små variasjoner i strømningshastig-het fra den optimale verdi som kan inntreffe innenfor den oppnåelige volumetriske strømningsnøyaktigheter for kon-vensjonelt tilgjengelige strømningsregulatorer ikke resul-tere i vesentlig forskjellige følersignaler og i falske indikasjoner på endringer i gasskonsentrasjonen.

Fig. 13 viser en ytterligere modifikasjon for å for-bedre egenskapene ved en konvensjonell føler av den benyttede type. Et trådnettfilter med hovedsakelig konstant porøsitet kan anbringes ved den nedre ende av føleren 112 mellom innløpet og utløpet av strømningskam-meret 146 og føleren 112. Dette ytterligere filter kan redusere gasskonsentrasjonene i gass-luftblandings-strøm-ningen som tilføres føleren. Da porøsiteten av det ytterligere filter 156 kan kontrolleres, kan det følersignal som svarer til den reduserte gasskonsentrasjon i strøm-ningen over 156 behandles med passende programvare i den tilhørende mikroprosessor for å reflektere de korrekte verdier av gasskonsentrasjonen i strømningen under filteret 156.

Skjønt oppfinnelsen er beskrevet i tilknytning til den spesifikke utførelse som er beskrevet i detalj, vil det forstås at dette bare er en illustrasjon, og at oppfinnelsen ikke nødvendigvis er begrenset til denne, idet alternative utførelser og driftsteknikker vil være nærlig-gende for fagfolk på bakgrunn av beskrivelsen. Følgelig kan modifikasjoner tilpasses uten at man fraviker den idé som ligger til grunn for oppfinnelsen.

Claims (13)

1. Anordning for dektektering av gass opptatt i et fluid som sirkulerer gjennom en underjordisk brønnboring, karakterisert ved at den omfatter: en gassoppsamlingsinnretning for oppsamling av gass som er frigjort fra det sirkulerende fluid for levering til en gassprøve-ledning, en prøvestrømningsregulator omfattende innretninger for etablering av en konstant strø mning av gassprøven, føleranordninger for detektering av tilstedeværelsen av gass i gassprøvestrø mningen, anordninger for etablering av en konstant relativ: fuktighet på under 100 % i gassprø ven ved føleranordnin-gen , en fortynningsmediumledning som er selektivt kom-muniserbar mellom prøvestrømningsregulatoren og føler-anordningen for reduksjon av gasskonsentrasjonen, og styreanordninger for etablering av kommunikasjon ( med f ortynningsmediurn-ledningen når gasskonsentras jonen i tilførselsledningen overskrider en forutbestemt konsentrasjon, hvorved konsentrasjonen av gass som tilføres føler-anordningen er mindre enn den forutbestemte konsentrasjon.

2. Anordning for kontinuerlig detektering av gasskon-s entras jonen under boring av en underjordisk brønn ved registrering av gassproduksjonen fra en underjordisk formasjon, karakterisert ved at den omfatter: en gassfelleanordning for oppsamling av produserte gasser inneholdt i et fluid som sirkulerer gjennom den underjordiske brønnboring til brønnens overflate og blanding av de produserte gasser med luft, en prøvestrømningsledning som strekker seg fra gass-felleanordningen til et sted på avstand fra denne, en strø mningsregulator som kan kommunisere med en prøvepumpe-enhet om omfatter anordninger for transport av luft-gassblandingen med konstant strømningshastighet, en anordning omfattende en føler for å generere et • signal som reaksjon på varierende mengder av brennbar gass, en strømningsledning for transport av luft-gassblandingen fra strø mningsregulatoren til fø leren for å presentere luft-gassblandingen for denne, innretninger, omfattende en pumpe-enhet for opprettholdelse av konstant relativ fuktighet på under 100 % og et forutbestemt trykk ved føleren, og et utløpsignalviser anbragt for å kunne kommunisere med føleren for kontinuerlig å presentere den relative mengde brennbar gass transportert til brønnoverflaten.

3. Anordning for detektering av begynnende gass- . tilbakeslag eller såkalte "brø nnspark" i en underjordisk brønn ved å detektere tilstedeværelsen av gasser produsert fra en underjordisk formasjon og opptatt i et fluid som sirkulerer gjennom en underjordisk brønn, omfattende en gassfelle for oppsamling av produserte gasser som er frigjort fra det sirkulerende fluid, en pumpe-enhet for transport av en frigjort gassprøve gjennom en prøve-strøm-ningsledning, en føler for detektering av tilstedeværelsen av produsert gass i gassprøven, og en strømningsregulator for opprettholdelse av en konstant strømningshastighet av gassprøven til føleren, karakterisert ved at den ytterligere omfatter: en kalibreringsgasskilde inneholdende produsert gass med kjent konsentrasjon, en ventil for lukning av prøvestrø mningsledningen oppstrøms for strømningsregulatoren, kontroll anordninger for registrering av utgangssignalet og for selektivt å innføre kalibreringsgass opp-strøms for strømningsregulatoren, hvorved kalibreringsgass tilføres føleren for å kalibrere følerens reaksjon på en kjent konsentrasjon av kalibreringsgass som transporteres med den konstante strømningshastighet som er etablert av strømningsregulatoren, og anordninger for separat transport av omgivelsesluft gjennom strømningsregulatoren til føleren for å' kalibrere .følerens reaksjon til en null-konsentrasjon av produsert gass .

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at kontrollanordningen videre omfatter anordninger for •kontinuerlig registrering av utgangs-referansesignalet fra føleren, som korresponderer med fraværet åv produserte gasser, anordninger for etablering av en bestemt drift av referansesignalet, og anordninger for detektering av en forandring i referansesignalet som overskrider referansesignal-driften, hvorved kontrollanordningen innfører kalibreringsgass oppstrøms for strømningsregulatoren når • referansesignalet overskrider den forutbestemte drift av signalet.

5. Anordning ifølge krav 4, karakterisert ved at den omfatter en andre føler og anordninger for fremføring av gassprøven til den andre føler når referan-tsesignal-endringen ved den første føler overskrider den forutbestemte referansesignal-drift.

6. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at kontrollanordningen videre omfatter anordninger for etablering av en maksimal fø lerdrift, anordninger for ■registrering av den forløpne tid hvorunder følerens utgangssignal kontinuerlig er lik det maksimale føler-utgangssignal, og anordninger for innføring av ytterligere luft til føleren når den forløpne tid hvorunder følerens utgangssignal kontinuerlig er lik det maksimale føler-utgangssignal overskrider en forutbestemt verdi, hvorved enhver forandring i følerens utgangssignal som reaksjon på innføring av ytterligere luft detekteres.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at kontrollanordningen innfø rer kalibreringsgass opp- strøms for strømningsregulatoren i fravær av en forandring i følerens utgangssignal som reaksjon på innføring av ytterligere luft.

8. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at anordningene for transport av omgivelsesluft gjennom strømningsregulatoren omfatter en strømningsledning som kommuniserer med ventilen oppstrøms for strømningsre-gulatoren og en andre ventil.

9. Anordning ifølge krav 8, karakterisert ved at anordningene for innføring av kalibreringsgass opp-strøms for strømningsregulatoren omfatter en strømnings-ledning mellom kalibreringsgasskilden og den andre ventil, idet kalibreringsgass føres til strømningsregulatoren når den andre ventil befinner seg i én posisjon og omgivelses-luf t føres til strømningsregulatoren når ventilen befinner seg i en annen posisjon.

10. Anordning ifølge krav 3, karakterisert !ved at den ytterligere omfatter anordninger for innføring av omgivelsesluft med en strømningshastighet som overskri- ■ der den konstante strømningshastighet av gassprøven mellom strømningsregulatoren og føleren for å fortynne konsentrasjonen av kalibreringsgass, hvorved graden av fortynning kan kalibreres og følerens reaksjon på fortynning av gass-prøven kan kalibreres.

11. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at kalibreringsgass og omgivelsesluft føres intermit-terende gjennom strømningsregulatoren.

12. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at den omfatter anordninger for registrering av signalet fra føleren som reaksjon på varierende mengder av produserte gasser og anordninger for å forhindre innføring av kalibreringsgass eller omgivelsesluft gjennom strøm-h ingsregulatoren når signalet overskrider en forutbestemt verdi.

13. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at føleren omfatter anordninger for å detektere tilstedeværelsen av brennbare gasser.