NO863362L - Oljenivaasensorsystem og fremgangsmaate for oljebroenner. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse beskriver oljebrønnpumping og nærmere bestemt en fremgangsmåte og anordning som automatisk vil regulere pumpingen av en oljebrønn basert fullstendig på detektert fluidnivå i brønnnen.

Få oljebrønner er selvflytende. De fleste brønnene må bli pumpet. Nesten alle brønner som må pumpes er utstyrt med pumpestangaktiverte pumper. Ved disse brønnene er pumpen installert ved den nedre enden av rørstrengen bare drevet av en streng til pumpestengene som strekker seg ned fra overflaten til pumpen. Pumpestengene er festet til en polert stang ved overflaten. Den polerte stangen strekker seg gjennom en pakkboks og er festet til den mekaniske enheten som frembringer det nødvendige frem og tilbakegående bevegelsen for å påvirke pumpestengene og pumpen. Den polerte stangen er festet ved dens øvre ende til en vippearm dreibart montert på en stolpe. En motbalansevekt kan være direkte eller indirekte fastholdt til den motsatte enden av vippearmen. Når vippearmen blir vippet, blir pumpestengene hevet og senket.

Ved typisk drift blir oljen pumpet ut av borehullet. Pumpingen blir så avbrutt og olje blir tillatt å sive inn i borehullet fra omgivende olje-bærende informasjoner. Oppbygningen av olje i borehullet frembringer et tilbaketrykk som hindrer innstrømningen fra formasjonen. Produktiviteten blir således redusert dersom oljen i borehullet ikke blir fjernet i tide etter akkumuleringen. På den andre side er det ikke ønskelig å drive pumpen etter at oljenivået har falt under pumpeinnløpet. En slik pumping vil bevirke fysisk ødeleggelse og slitasje av pumpen.

Tidligere og nåværende praksis i oljebrønnpumping innebærer manuell innstilling av elektriske ur for å styre pumpingen basert på en operatørs fordeling av tiden nødvendig for å strekke ut fluidet ned i hullet til et punkt hvor ikke noe mer fluid kan bli fjernet. Dette er kjent som "avpumping" av en brønn. Ulempene ved denne metoden er overdrevet slitasje på komponentene nede i borehullet på grunn av overdreven pumping, unødvendig mannskapstid for å operere brønnen og lav fluid-produksjon som reduserer innkomst på grunn av underpumping.

Automatisk væskenivåovervåking er blitt foreslått hvor akustiske anordninger er anvendt for å avføle dypden til oljen i brønnen. En ulempe ved dette systemet er at den blir påvirket ved skummet i brønnen. Den innebærer også kompliserte mekaniske anordninger ved brønnhodet, jfr. f.eks. US patent nr. 4.318.298.

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en innretning for automatisk brønnpumping som resulterer i en bedre gjenvin-ning av fluidene nede i borehullet, som øker produksjonen og reduserer mannskapstiden og komponentslitasjen nede i borehullet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det kort sammenfattet tilveiebrakt et system for styring av produksjonen (pumpingen) i en oljebrønn. En oljebrønn innbefatter et f ret borehull, produksjonsrør inne i f ringen og en pumpe ved nedre enden av produksjonsrøret. Pumpene tvinger olje opp gjennom røret. Sugestenger strekker seg ned i produksjonsrøret for mekanisk aktivering av pumpen. Ved toppen ved borehullet (brønnhodet) er en anordning for å bevirke vertikal frem og tilbake bevegelse av pumpestengene. Så langt beskrevet i dette avsnittet er gammel kjent teknikk. Systemet ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter en kombina-sjon med ovenfor nevnte en styrer for å aktivere den frem og tilbakegående anordningen, en vippebjelke f.eks. for heving og senking av pumpestengene. Styreinnretningen sender ut et signal som direkte eller indirekte aktiverer en elektrisk eller hydraulisk motor. Nede i hullet ifølge foreliggende oppfinnelse er det anbrakt en nivåfølende enhet ved nivået ved hvilket oljen blir pumpet ned til og ved hvilket pumpen igjen skulle blir avbrutt. Dette er vanligvis over pumpen. Nivåsensoren innbefatter en radioaktiv kilde anbrakt med avstand fra en radioaktiv detektor. Kilden er fortrinnsvis en gammastrålingskilde, f.eks. cesium 137. Gammastråling fra cesium 137 har en bestemt energi (1,176 Mev) som ellers ikke er funnet noe sted i den naturlige gammastrålingen til borehullet. Anbrakt med avstand fra kilden er radioaktivitetsdetektor. Avstanden kan f.eks. være 12,7 til 15,24 cm og detektoren når olje ikke er derimellom vil avføle omkring 200 og 300 pulser pr. minutt. Når oljen fyller mellomrommet mellom kilden og detektoren, vil hastigheten ved hvilken pulsene er avfølt være betydelig svekket. Detektoren kan innbefatte en halvledergammatransduser selektiv for stråling frembrakt av cesium 137. En hastighetsteller er festet til utgangen av gammatransduseren og når hastigheten er indikativ for ingen olje blir et "av"-signal ført av telleren til en lydtransduser for å generere et høyfrekvent akustisk signal direkte opp av borehullet. Hastighetsdetektoren kan innbefatte en digitalkrets eller en mikrodatamaskin basert på chips som forbruker lite energi, slik som CMOS eller liknende. Strømforsyningen for detektoren, hastighetstelleren og den akustiske transduseren er et ladbart batteri med lang levetid, slik som nikkelkadmium- eller litium-batterier. Siden temperaturen til alle elementene i kretsen gjorde opphav til stigning til temperaturen ned i borehullet ved nivået til avfølingsenheten, kan levetiden til til og med et batteri med lang levetid bli for kort i praksis. Det er således nødvendig å tilveiebringe en ladeanordning f.eks. en vekselstrømanordning som blir aktivert av vekslende mekaniske tilstander nær sensoren. Fortrinnsvis er det et stempel eller et diafragma i kommunikasjon med det indre av produksjonsrøret som blir beveget frem og tilbake med hvert arbeidslag til pumpestengene. En permanent magnet er magnetisk koplet med stemplet til diafragmaet, og blir således beveget inn og ut av en stasjonær spole i serie med en likeretterkrets som lader batteriet. En akustisk mottaker (halvledermikrofon) er anbrakt ved brønnhodet for å ta opp de akustiske signalene rettet mot den fra nede i borehullet. Det akustiske signalet blir omformet til et elektrisk "av-signal" som blir sendt til styreren.

Ifølge en foretrukket utførelsesform er borehullet forsynt med to nivåsensorer. Den andre enheten er anbrakt over den første, f.eks. 1,5 til 1524 m, og er anordnet for å generere et "på-signal" for å starte pumpingen når oljen når nivået til den andre avfølingsenheten. Den andre avfølingsenheten kan være identisk i struktur med den første avfølings-enheten med unntak av at lydtransduser en skulle være fremstilt for å frembringe et lydsignal som adskiller seg i et visst detekterbart hen-seende, f.eks. frekvens, fra lydsignalet frembrakt på den første av-følingsenheten. Med den beskrevne anordningen kan pumpingen bli stoppet akkurat når oljenivået når den nedre avfølingsenheten og pumpingen kan bli gjenopptatt akkurat når oljenivået når den øvre avfølings-enheten. Ingen antagelser må bli tatt med hensyn til tiden for slutt på pumpingen eller tiden når brønnen igjen er klar for å bli pumpet. Denne tilstanden kan endres med tiden og kan bli automatisk justert ved hjelp av systemet.

Ytterligere trekk og formål og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå av følgende detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen gjort med henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et skjematisk riss av en oljebrønn utstyrt for pumping med pumpestenger og med anordninger for å utføre systemet og fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 2 viser et snitt gjennom en omhylling ned i et borehull for den

radioaktive sensoren.

Fig. 3 viser et flytdiagram som viser driften av systemet.

Med henvisning til fig. 1 er det vist skjematisk et riss av en oljebrønn som er utstyrt for pumping med pumpestenger. Bunnivået 10 er vist med en boring 11 som strekker seg nedover derfra inntil produksjonsformasjonen 12 er påtruffet. Boringen er f ret med stålf ring 13 for å opprettholde helheten til boringen, som er typisk. Hengende ned fra overflaten i stålf ringen er stålproduksjons rør 14. Ved basisen av stålproduksjonsrøret og inne i produksjonsformasjonen 12 er anbrakt pumpesylinderen 15. I pumpesylinderen er et indre tilbakeslagsventilhus 16. En ytre tilbakeslagsventil 17 er anordnet i bunnen av pumpesylinderen. Fra huset til den indre tilbakeslagsventilen strekker seg oppover en pumpestangstreng 20. Den øverste pumpestangen er en polert stang 21. Den polerte stangen går frem og tilbake i pakningsboksen 22. Over overflaten er huset tildekket og ventilert ved 23. En strømnings-T 24 er anordnet for å dirigere olje pumpet opp gjennom det indre av produk-sjonsrøret for å endre retninger og strømme ut gjennom strømnings-ledningen 25.

Oppheng over den nedre enden til produksjonsrøret mellom produksjons-røret og huset er den nedre radioaktive kilden 28. Anbrakt med avstand over der er den øvre radioaktive kilden 29. Anbrakt rett over den nedre kilden 28 er den nedre radioaktive detektoren 30 og rett over den øvre kilden 29 er den øvre radioaktive detektoren 31. Hver radioaktive detektor har tilknyttet dermed en lydsender (høytaler). Hver detektor sender et akustisk signal med en annen karakteristikk (slik som frekvens) som muliggjør å skille signalene fra hverandre. Anbrakt nær ventileringshuset er en akustisk detektor 35. Detektoren er i kommunikasjon via en egnet elektrisk forbindelse med styreinnretningen 36 som igjen er i forbindelse med en motor 37 for drift av pumpingen, f.eks. en vippearmanordning som bevirker den frem og tilbakegående bevegelsen av pumpestengene.

De radioaktive kildene 28 og 29, egnet ifølge foreliggende oppfinnelse, er kilder med gammastråling slik som kobolt 60 med en halveringstid på 5,26 år eller fortrinnsvis cesium 137 som har en halveringstid på 30 år. Selv om kobolt 60 har en halveringstid adekvat for drift av mange brønner og slik at den radioaktive kilden aldri må bli erstattet i løpet av brønnens levetid. Andre strålingskilder, slik som beta, alfa og røntgenstråling kan også bli anvendt. En foretrukket radioaktiv kilde er en fem mikrocurie-kilde av cesium 137 med en energi på 1,176 Mev.

Konstruksjonen for å understøtte den radioaktive utstrålingen kan innbefatte to klemmeliknende deler av en ringformet konstruksjon som opptar delen av rommet mellom produksjonsrøret og brønnboringen. De radioaktive utstrålerne er anbrakt i en slik posisjon rundt produksjons-røret for å stråle ut strålingen hovedsakelig direkte til tilknyttet radioaktivitetsdetektor anbrakt derover eller derunder.

Fortrinnsvis vil en radioaktiv utstråler 38 være anbrakt under arbeids-sylinderen (anordningen som trekker fluidum fra borehullet) og den andre radioaktive utstråleren 29 vil være anbrakt ved et forutbestemt nivå derover. Strålingen vil bli overvåket av de radioaktive detektorene 30 oh 31 ved hjelp av en detektor slik som en geigerteller, ionekammer eller partikkelteller.

De radioaktive detektorene kan være omhyllet i en ringformet omhylling 39, som vist på fig. 2. Omhyllingen innbefatter en ytre sylindriske vegg 40 anordnet mellom to avstandsringer 41, 42. Forbundet med hver avstandsring er to O-ringer 43, en for tetting av avstandsholderen til veggen 40 og den andre for tetting av avstandsholderen med utsiden av p r oduk sjons rør et.

Mottakeren for radioaktivitetsdetektoren 45 kan strekke seg gjennom en avstandsholder som vender mot den radioaktive kilden. Lydsenderen 46 kan strekke seg gjennom samme eller den andre avstandsholderen og er rettet opp mot borehullet. En foretrukket detektor innbefatter en halvledergammatransduser selektiv for stråling utsendt av cesium 137. Transduseren vil omforme innfallende stråling til omkring 200 til 300 elektriske pulser pr. sekund.

De akustiske signalene sendt ut av en eller flere lydsendere 45 er overvåket ved toppen av hullet av den akustiske detektoren 35. Den akustiske detektoren 35 sender et signal til en styreanordning 3 som kan være en mikrodatamaskin til en elektrisk styreaktivering av pumpe-anordningen ved å styre selve drivmotoren 37.

Fig. 3 viser i blokkdiagramform informasjonsstrømmen og visse kompo-nenter i samsvar med oppfinnelsen. Den radioaktive kilden 28 har allerede blitt beskrevet. Den radioaktive opptakeren 45, er også allerede beskrevet, idet dens utgang går til en digital hastighetsteller og sammen-likningskrets 50. Når hastighetstersklene blir krysset, blir et signal ført fra hastighetstelleren og komparatoren til lydsenderen 46.

Siden tre anordninger (opptakeren 45, hastighetstelleren 50 og lydsenderen 46) er elektroniske anordninger som krever en kilde med elektrisk energi, er det anordnet en strømforsyning 51 ned i borehullet. De tre anordningene og strømforsyningene er anbrakt i en omhylling 39. Hastighetstelleren og komparatoren 50 kan innbefatte en digitalkrets, fortrinnsvis en mikrodatamaskin programmert for å telle elektriske pulser fra gammatransduseren og for å aktivere en lydsender 46 ved en på forhånd valgt tellerverdi og for å aktivere et annet lydsignal som angir lav batterispenning.

Gjenoppladbare batterier med lang levetid, f.eks. nikkelkadmium- eller litiumbatterier, blir anvendt for å tilføre strøm til elektronikkanord-ningene ned i borehullet. En ladekrets er fortrinnsvis også anordnet. Den kan innbefatte et fjærbelastet diafragma 61 (jfr. fig. 2) som har en side i kommunikasjon med det indre av produksjonsrøret ved hjelp av en åpning 52 i produksjonsrøret. Koplet med diafragmaet er en permanent magnet 53 inne i en stasjonær spole 54. Endene til den spoleviklede ledningen er forbundet med en likeretterkrets (ikke vist) for å generere en likestrøm som lader batteriet.

Den akustiske opptakeren 35 ved brønnhodet kan innbefatte en halvledermikrofon som slipper gjennom dens elektriske utgangssignal til styreren 36.

Ifølge en foretrukket utførelsesform innbefatter styreren en datamaskin, f.eks. en mikrodatamaskin, med en reservebatteristrømforsyning og halvlederelektronisk krets i grensesnittet med strømforsyningen for å påvirke pumpemotoren. Datamaskinstyreren kan valgfritt bli programmert i tillegg til starting og stopping av pumpen, til å opptegne pumpe-sykluser, akkumulere og datamaskingjennomsnittsberegnede syklustiden, opptegne data og tid for hver av tidligere, f.eks. ti sykluser, med en automatisk gjenstarting som følger strømutfall, med en automatisk avslåing dersom den gjennomsnittlige syklustiden blir overskredet ved en etablert prosentdel og mange andre trekk.

Gammastråler innbefatter elektromagnetisk stråling utsendt fra bestemte atomkjerner som et resultat av nyanordning i kjernen. Energien til kjernegammastråler går fra praktisk talt null opptil størrelsesorden av 10 Mev.

Energien til fotonen kan bli absorbert totalt eller delvis ved samvirkning med et stoff. I sistnevnte tilfelle vil frekvensen til fotonen bli redusert. Dens begevelsesretning kan bli endret. Fotoner blir således absorbert ikke gradvis, men i diskrete forløp. Et samvirke tilstrekkelig for å fjerne foton fra en kollimert stråle med gammastråler. Intensiteten I til en stråle reduseres eksponentielt i samsvar med likningen:

hvor x er banelengden og Iq er startintensiteten og jj er den lineære dempingskoeffisienten, som er karakteristisk for materialet og gamma-energien.

Gammastråletellere er anordninger for å detektere gammastråling som gir informasjon om den integrerte intensiteten innenfor et tidsintervall eller registrerer hver foton separat. Geiger-røret er ofte anvendt for generelle formål, men over 100 Mev. Dens virkningsgrad er lav. Den mest generelt anvendte gammatelleren er Nal (Tl) eller natrium jqdidkrystallpartikkel-teller, som er et natriumjodidkrystall med thallium som en partikkel. Samvirkningen av en foton med krystallet frembringer en lyspuls som kan bli detektert av en fotomultiplikator.

Claims (12)

1. System for å styre produksjonen i en oljebrønn hvor oljebrønnen innbefatter et f ret borehull, produksjons rør (14) i det f rede borehullet, en pumpe (15) ved den nedre enden av produksjonsrøret anordnet for å pumpe olje inn i produksjonsrøret, pumpestenger (20) som strekker seg ned i produksjonsrøret for mekanisk påvirkning av pumpen, innretninger (37) for å bevirke frem og tilbakegående bevegelse av pumpestengene, en styrer (36) for å aktivere innretningen for å bevirke den frem og tilbakegående bevegelsen, karakterisert ved første følerinnretning (30) fastgjort til en den ytre flaten av produksjonsrøret nær dens nedre ende innbefattende en radioaktiv kilde (28) anbrakt med avstand fra en radioaktiv detektor (45) slik at oljen ved det nivået vil fylle mellomrommet, innretninger (50) forbundet med den radioaktive detektoren for å telle utgangssignalene til detektoren og å etablere et "av-signal" når frekvensen til utgangssignalet er indikativ for ingen olje i nevnte mellomrom, innretninger (46) for å omforme "av-signalet" til et lydsignal rettet opp gjennom borehullet, en elektrisk strømforsyning (51) for å strømforsyne innretningene (45) for å avføle innretningene for omforming (46), mottakerinnretninger (35) ved toppen av borehullet for å detektere den akustiske fremstillingen av "av-signalet" og sending av det som et elektrisk signal til styreren (36) hvorved styreren stopper innretningen for å bevirke den frem og tilbakegående bevegelsen.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at den andre avfølingsinnretningen (31) er fastgjort til den ytre overflaten av produksjonsrøret anbrakt med avstand over den første avfølingsinn-retningen, idet den andre avfølingsinnretningen innbefatter en radioaktiv kilde (29) anbrakt med avstand fra en radioaktivitetsdetektor for å telle utgangssignalene til detektoren og etablere et "på-signal" når frekvensen til utgangene er indikative for oljen i mellomrommet, innretning forbundet med den radioaktive detektoren for å omforme "på-signalet" til et andre lydsignal rettet opp borehullet, idet det andre lydsignalet er forskjellig fra lydsignalet brakt i forhold til "på-signalet", og at mottakerinnretninger (35) ved toppen av borehullet er anordnet for å detektere lydsignalene og skille derimellom og sende elektrisk "på-signaler" og "av-signaler" til styreren for å starte og stoppe innretningen for å bevirke den frem og tilbakegående bevegelsen.

3. System ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den radioaktive kilden (28, 29) innbefatter cesium 137.

4. System ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den første og andre innretningen innbefatter en digital krets for å analysere frekvensen til radioaktiviteten og for generering av et signal indikativ for tilstedeværelsen av eller ikke olje ved nivået til detektoren.

5. System ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de akustiske signalene er frembrakt ved den første og andre sensoren er av forskjellige frekvenser.

6. System ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den elektriske strømforsyningen (51) er gjenladbar og innretningen anordnet for å lade strømforsyningen, idet oppladningsinnretningen innbefatter et fjærforspent element som går frem og tilbake som reaksjon på endringer i trykket ved produksjonsrøret med hver pumpesyklus, innretning festet til elementet for å bevirke relativ bevegelse av det magnetiske feltet og opptaksspole (54) i hvilken ladningsstrømmen blir indusert.

7 System ifølge krav 6, karakterisert ved at en liten permanent magnet er koplet til et diafragma og er skjøvet inn og ut av opptaksspolen med en diode i spolekretsen for å likerette utgangen og overføre den til en likestrømslagringsinnretning.

8. System ifølge krav 7, karakterisert ved at strøm-forsyningslagerelementet innbefatter et oppladbart batteri.

9. System ifølge krav 7, karakterisert ved at strøm-forsyningslagerelementet innbefatter en kondensator.

10. System ifølge krav 4, karakterisert ved at den digitale kretsen innbefatter en mikrodatamaskin på en chip med et programmert lesbart lager.

11. Fremgangsmåte for å styre produksjonen i en oljebrønn hvor oljebrønnen innbefatter et f ret borehull, produksjonsrør (14) i det f rede borehullet, en pumpe (15) ved den nedre enden av produksjonsrøret anordnet for å pumpe olje inn i produksjonsrøret, pumpestenger (20) som strekker seg ned i produksjonsrøret for mekanisk aktivering av pumpen, innretning (37) for å bevirke frem og tilbakegående bevegelse av pumpestengene, karakterisert ved å innbefatte avføling av radioaktivitet sendt ut fra en første radioaktiv kilde nær den nedre enden av produksjonsrøret og generering av et "av-signal" når frekvensen til radioaktiviteten indikerer ingen olje ved nivået til den radioaktive kilden, omforming av "av-signalet" til et lydsignal sendt opp gjennom borehullet, detektering av den akustiske fremstillingen av "av-signalet" ved brønnhodet og stopping av den frem og tilbakegående bevegelsen av pumpestengene som reaksjon på "av-signalet".

12. Fremgangsmåte ifølge krav 11, karakterisert ved at den innbefatter trinnene med avføling av radioaktivitet fra en andre radioaktiv kilde anbrakt med avstand over den første radioaktive kilden og generering av et "på-signal" når frekvensen til radioaktiviteten er indikativ for oljen ved nivået til den andre radioaktive kilden, omforming av "på-signalet" til et andre lydsignal dirigert opp gjennom borehullet, idet det andre lydsignalet er annerledes enn det fra lydsignalet relatert til "av-signalet", detektering av lydsignaler og skille mellom dem ved brønnhodet og som reaksjon på "på-signaler" og "av-signaler" startes og henholdsvis stoppes den frem og tilbakegående bevegelsen av pumpestengene.