NO20121168A1 - System for kontinuerlig styring av borevæskeegenskaper - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelse gjelder et system 100 og en fremgangsmåte for kontinuerlig å styre borevæskeegenskaper som eksempelvis tetthet og strømningstrykkfall i et miksesystem for boreslam i en boreinstallasjon for boring av hull i undergrunnen for å utvinne hydrokarboner, geotermiske energi eller gainnvann, der systemet minst består av et eller flere rørsegment 120 med påmontert minst en gyrosensor 122 og minst en differensialtrykksensor 121; en sirkulasjonspumpe 111; en mikseenhet 160, og et styremiddel 190 tilpasset for å å styre volumstrømmene gjennom mikseenheten 160 for å oppnå de ønskede egenskapene på borevæsken.

Description

System for kontinuerlig styring av borevæskeegenskaper

Den foreliggende oppfinnelse gjelder et system og en fremgangsmåte for kontinuerlig å styre borevæskeegenskapene i tilførselsledningene for boreslam i en boreinstaNasjon for boring av hull i undergrunnen for å utvinne hydrokarboner, geotermiske energi eller grunnvann.

Når det bores hull i undergrunnen, pumpes typisk en borevæske (for eksempel boreslam eller vann) fra en boreinstallasjon ned i borehullet via borerøret og ut gjennom borekronen og opp ringrommet, primært for transportere opp borekaks fra boreprosessen. Borevæsken benyttes også til å opprettholde et egnet trykk i ringrommet, slik at borehullet ikke kollapser eller sprekker opp. I tillegg benyttes borevæsken til å kjøle ned og smøre borekronen.

Noen av de viktigste egenskapene til borevæsken for å opprettholde ønskede forhold i brønnen under boreoperasonen er derfor strømningshastigheten, rheologien og tettheten til borevæsken i alle deler av strømningssløyfen fra borevæsken pumpes inn i brønnen og til borevæsken returnerer til borevæsketankene ved overflaten.

I dag måles typisk borevæskeegenskapene ved å ta en prøve av borevæsken ved forskjellige tilgjengelig punkter boreprosessen, og evaluere eksempelvis tettheten ved hjelp av en balansevekt og eksempelvis rheologien ved hjelp av en trakt eller et mer avansert instrument, et såkalt viskosimeter der et roterende eller vibrerende element plasseres i et lite kar som inneholderen prøve av borevæsken.

Når disse målingene er gjennomført, kan borevæskens egenskaper justeres ved å sirkulere borevæsken fra en tank, gjennom eksempelvis en venturi-mikser og tilbake til en annen tank eller den samme tanken. På denne måten kan man mikse inn andre væsker eller partikler. Partikler kan være primært vekt-endrede stoff som eksempelvis barytt eller primært viskositetsendrende stoff som eksempelvis bentonitt. Væsker som benyttes til fortynning av borevæsken er typisk vann eller olje.

For å evaluere borevæskens opprinnelige egenskaper oppstrøms blandesystemet er det vanlig å ta en væskeprøve, og så evaluere eksempelvis tettheten vil borevæsken med en balansevekt. Viskositeten vil typisk bestemmes ved hjelp av tiden det tar for et kjent væskevolum å strømme gjennom en trakt ved atmosfæriske betingelser. Denne manuelle evalueringen kan i tillegg også gjøres nedstrøms blandesystemet. Alternative måter å evaluere borevæskens egenskaper i forkant og etterkant av miksesystemet er eksempelvis å montere tetthetsmålere av forskjellig slag som eksempelvis Coriolismetre eller viskositetsmålere av forskjellig slag som eksempelvis rotametre. Et eksempel på et miksesystem kan det refereres til patenten US1998/5779355.

Av andre metoder for å måle egenskapene til borevæsken er det i artikkelen «Utilizing Instrumented Stand Pipe for Monitoring Drilling Fluid Dynamics for Improving Automated Drilling Operations», IFAC 2012 av Carlsen, Nygaard og Time presentert et system som benytter seg av differensialtrykksensorer for å måle differensialtrykket i en vertikal del og en horisontal del av røret mellom hovedpumpemanifolden og toppen av borestrengen, i tillegg til temperaturmålinger av borevæskestrømmen. Denne metoden kan også bli benyttet til å evaluere borevæsken oppstrøms og nedstrøms mikseenheten.

Et av problemene med denne metoden til Carlsen et al. er at målingene fra differensialtrykksensorene vil være påvirket av mekaniske bevegelser i boreanretningen, som typisk kan forekomme på grunn av skrå plassering på en ved siden av boretårnet, eller bølger dersom boreanretningen er plassert på en flytende farkost. Disse mekaniske bevegelsene vil påvirke i større eller mindre grad helningen til innfestingspunktene for differensialtrykksensoren, og derfor påvirke trykkmålingene. Beregningene av tetthet og friksjonstrykktap kan derfor inneholde feil.

En annen utfordring til systemet beskrevet i Carlsen et. al. er at det vertikale og det horisontale rørsegmentet er vanskelig i montere mekanisk korrekt i eksisterende og nye boreanretninger, da spesielt et mekanisk avvik i den horisontale delen kan medføre feil i friksjonstrykktapberegningene og påfølgende gi feil i tetthetsberegningene.

Det er et formål med den foreliggende oppfinnelse å i det minste delvis overvinne de ovennevnte problemer og utfordringer.

Dette formålet, og andre formål som vil være åpenbare ut ifra den følgende beskrivelse, oppnås med et system og en fremgangsmåte i følge de vedlagte uavhengige kravene. Utførelsesformer fremsettes i de vedlagte avhengige kravene.

I følge et aspekt av den foreliggende oppfinnelse, tilveiebringes et system for å styre boreslamegenskaper i en boreinstallasjon, gjennom evaluering av borevæskeegenskaper oppstrøms og nedstrøms mikseenheten for så å styre volumstrømmene gjennom miksenheten automatisk, der systemet innebefatter: Minst et gyroelement som plasseres på et, to eller flere rette rørsegment som er plassert i en vinkel i forhold til hverandre; og der minst to differensialtrykkelementer måler trykkforholdene mellom endene i hvert av de to rette rørsegmentene; og et beregningsmiddel som kombinerer gyromålingene med differensialtrykkmålingene for å filtrere ut mekaniske påvirkninger når borevæskens tetthet og friksjonstrykktap beregnes; for så å styre volumstrømmene gjennom mikseenheten for å oppnå de ønskede egenskapene på borevæsken.

Det foreliggende system kan også innebefatte temperatur og trykkmålinger i nærheten av de rette rørsegment eller tankene i tillegg til en manifold med en styrt ventil som kan lukke strømningspassasjen til returen av tanken, for å evaluere boreslamegenskapene i tanken.

Det foreliggende systemet tillater at mekaniske forstyrrelser som følge av bevegelser i boreanretningen eller bølgebevegelser på en flytende anretning ikke påvirker beregningene av borevæskens tetthet og friksjonstrykktap. Ved hjelp av det foreliggende systemet kan man beregne både mekaniske påvirkninger i gyroene og trykkpåvirkninger i differensialtrykksensorer og derfor oppnå høyere nøyaktighet ved kontinuerlig å styre borevæsken primære egenskaper som tetthet og flytegenskaper.

Det foreliggende systemet kan også lett monteres inn i en eksisterende boreanretning, siden de to rørsegmentene kun trenger å plasseres i en vinkel mellom 0 og 180 grader i forhold til hverandre.

Det foreliggende systemet kan både benyttes til evaluering av borevæskeegenskaper mens miksing pågår væskestrømmen pumpes inn i neste tank, og mens miksing ikke pågår og væskestrømmen pumpes tilbake til tanken.

I følge et annet aspekt av den foreliggende oppfinnelse, tilveiebringes en fremgangsmåte for å beregne borevæskens tetthet og strømningsfriksjonstap hvori minst et rørsegment med tilhørende differentialtrykksensor og gyrosensor benyttes som grunnlag for disse beregningene. I tillegg kan det anvendes måling av rotasjonshastigheten på sirkulasjonspumpen for å avgjøre strømningshastighetet gjennom rørsegmentet. Dette aspektet av oppfinnelsen kan fremvise det samme elle lignende trekk og tekniske effekter som det tidligere beskrevne aspektet.

Disse og andre aspekter av den foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet i nærmere detalj med referanse til de vedlagte tegningene som viser en for øyeblikket foretrukket utførelseform for oppfinnelsen.

Fig 1. er en skjematisk illustrasjon av et system 100 i følge en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse. Et spesielt bruksområde for den foreliggende oppfinnelse er å benytte beregningene av borevæskens tetthet og friksjonstrykktap til å beregne trykkforholdene nede i brønnen. I dette spesielle bruksområdet kan det foreliggende system 100 være parallelt til, eller i det minste delvis erstatte de manuelle målingene av borevæskens tetthet og reologi som også benyttes til å beregne trykkforholdene i brønnen.

Systemet i 100 innbefatter en tank 110 som har et uttak mot en sirkulasjonspumpe 111. Sirkulasjonspumpen har påmontert en turtallsensor 112. Nedstrøms pumpen er det montert en temperaturmåler 113 og en trykkmåler 114. Et rørsegment 120 har påmontert en differensialtrykksensor 121 og gyroelementer 122 og 123 som benyttes til å måle strømningsegenskapene til borevæsken. En styrt ventil 118 åpner for at væskestrømmen kan sendes tilbake til tanken 110 eller videre gjennom miksesystemet 160. Dersom væsken strømmer tilbake til tank 110 så vil den passere et rørsegment 130 som benyttes til å måle strømningsegenskapene ytterligere. Dette rørsegmentet 130 består av en differensialtrykksensor 131 og gyroelementene 132 og 133. Dersom væsken strømmer mot mikseenheten 160 så vil væsken passere rørsegment 140 og rørsegment 150. Disse benyttes til å måle strømningsegenskapene ytterligere. Rørsegment 140 består av differensialtrykkmåler 141 og gyroelementene 142 og 143. Rørsegment 150 består av differensialtrykkmåler 151 og gyroelementene 152 og 153. Basert på målingene fra rørsegment 140 og rørsegment 150 kan styreenheten 190 beregne borevæskens tetthet og friksjonstrykktap. Basert på disse beregningene kan styreenheten justere turtallet på sirkulasjonspumpen 111 og/eller justere på mating av faststoff eller væske inn i mikseenheten 160. Mating av faststoff kjer ved hjelp av rotasjonsmotoren 165 som er montert til en sktuemater 166 og som slipper stoffet ned i beholderen 162 der mengden justeres ved hjelp av ventilen 161. Etter mikseenheten 160 passerer borevæsken to rørsegment 170 og 180. Rørsegment 170 består av differensialtrykkmåler 171 og gyroelementene 172 og 173. Rørsegment 180 består av differensialtrykkmåler 181 og gyroelementene 182 og 183. Basert på målingene fra rørsegment 170 og rørsegment 180 kan styreenheten 190 beregne borevæskens tetthet og friksjonstrykktap nedstrøms mikseenheten 160. Væsken strømmer så videre til tanken 185, som kan være den samme som tank 110.

Fagpersonen vil forstå at den foreliggende oppfinnelse på ingen måte er begrenset til utførelsesformene beskrevet under. Tvert i mot er mange modifikasjoner og variasjoner mulig innenfor de vedlagte kravenes omfang.

Claims (8)

1. System 100 for å evaluere borevæskeegenskaper i en boreinnretning, spesielt for å evaluere borevæskens tetthet og strøm ni ngstap, der systemet innebefatter: Minst et rørsegment 120 med påmontert minst en gyrosensor og minst en differensialtrykksensor; Og Minst en sirkulasjonspumpe 111 med påmontert en hastighetsmåler 112; og Styremiddel 190 tilpasset for selektivt eller sekvensielt beregne borevæskens tetthet og strømningsfriksjonstrykktap basert på målt differensialtrykk og rørets vinkel i forhold til det horisontale plan

2. System i følge krav 1, videre innebefattende et rørsegment 120, hvori styremiddelet 190 kontinuerlig beregner borevæskens tetthet og friksjonstrykktap når rørsegmentenes vinkel i forhold til horisontalplanet er 0 grader eller mer og 180 grader eller mindre når strømningshastigheten er forskjellig fra 0.

3. System i følge krav 1 eller 2, videre innebefattet en mikseenhet 160 hvori styremiddelets 190 styrer sirkulasjonspumpen 111 og mateventilen 161 for å oppnå ønskede egenskaper på borevæsken.

4. System i følge krav 1, 2 eller 3, videre innebefattet rørsegment 170 for å evaluere borevæsken egenskaper etter mikseenheten 160..

5. System i følge krav 4, videre innebefattet temperatursensorer 113 og trykksensor 114 for å kompensere styring av mikseenheten for varierende en temperaturer og trykkforhold..

6. Fremgangsmåte for kontinuerlig å evaluere borevæskens tetthet og strømningstrykkfall, hvori minst et rørsegment 120 og minst et deteksjonsmiddel 112 for strømningsrate, der fremgangsmåten innbefatter: å registrere differensialtrykket 121 når deteksjonsmiddelet for strømningsrate 112 registrerer null strømningsrate; å beregne borevæskens tetthet ved hjelp av det registrerte differensialtrykket 121, lengden på rørsegmentet, og vinkelen i forhold til horisontalplanet 122,123; å registrere differensialtrykket når deteksjonsmiddelet for strømningsrate 112 registrerer mer enn null strømningsrate; og å beregne borevæskens friksjonstrykktap ved hjelp av det registrerte differensialtrykket 121, lengden på rørsegmentet og vinkelen i forhold til horisontalplanet 122,123.

7. Fremgangsmåte for kontinuerlig å styre borevæskens tetthet og strømningstrykkfall, hvori minst de to rørsegmenter 140 og 150, sirkulasjonspumpen 111 og mikseenheten 160 benyttes, der fremgangsmåten innbefatter: å registrere differensialtrykket og vinkelposisjon for både rørsegment 140 og 150; å beregne borevæskens egenskaper ved hjelp av begge registrerte differensialtrykkene 141,151, lengden på rørsegmentene, og begge vinkler i forhold til horisontalplanet 142,143,152,153; å styre sirkulasjonspumpen 111 og mikseenhetens 160 volumstrøm slik at det ønskede tetthet og friksjonstrykktap oppnås på borevæsken..

8. Fremgangsmåte for kontinuerlig å styre borevæskens tetthet og strømningstrykkfall, hvori minst de fire rørsegmenter 140, 150, 170 og 180, sirkulasjonspumpen 111 og mikseenheten 160 benyttes, der fremgangsmåten innbefatter: å registrere differensialtrykket og vinkelposisjon for både rørsegment 140 og 150; å registrere differensialtrykket og vinkelposisjon for både rørsegment 170 og 180; å beregne borevæskens egenskaper oppstrøms mikseenheten 160 ved hjelp av begge registrerte differensialtrykkene 141,151, lengden på rørsegmentene, og begge vinkler i forhold til horisontalplanet 142,143,152,153; å beregne borevæskens egenskaper nedstrøms mikseenheten 160 ved hjelp av begge registrerte differensialtrykkene 171,181, lengden på rørsegmentene, og begge vinkler i forhold til horisontalplanet 172,173,182,183; å benytte styreenheten 190 til å beregne avvik mellom borevæskens egenskaper oppstrøms og nedstrøms mikseenheten å styre sirkulasjonspumpen 111 og mikseenhetens 160 volumstrøm slik at det ønskede tetthet og friksjonstrykktap oppnås på borevæsken nedstrøms mikseenheten.