NO327545B1 - Anordning for injeksjon av fluider - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse vedrører en overflatekontrollert anordning utformet for injeksjon av fluider i en brønn, typisk en offshore brønn for petroleumsproduksjon og gassinjeksjon/gassløftesystem for fluidinjeksjon. Anordningen omfatter et ytre hult hus (1) med i det minste et innløp og utløp og et indre legeme (2) bevegelig i en langsgående retning inne i det ytre huset (1). Et innløp, i form av en variabel åpning, er forbundet, gjennom en hovedsakelig langsgående boring av det indre legemet, med i det minste en slisse. Den foreliggende oppfinnelse vil gi et fluid som forlater anordningen et minimum av energi- eller trykktap over anordningen.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for injeksjon av fluid i en olje-brønn, typisk en oljebrønn for petroleumsproduksjon, og særlig for en gassløfteven-til som benyttes for å injisere høytrykksgass inn i en rørledningsstreng anordnet i en oljebrønn i den hensikt å lufte og/eller fortrenge væsken i rørledningsstrengen, for derved å løfte væsken til overflaten eller toppen av oljebrønnen.

Ved å produsere hydrokarboner, medregnet vann, blje, olje med innblandet gass og gass, fra en geologisk formasjon, benyttes det naturlige trykk i formasjonen for å løfte hydrokarbonene oppover til bakkeoverflaten. Dette trykk kan avta over brøn-nens levetid og vil kreve hjelp for å forbedre løftet, hvor dette kan gjøres ved å til-føre energi kunstig til væsken eller mediumet i produksjonsrøret. En kjent måte å øke løftet på, er å injisere et medium i produksjonsrøret. Denne injeksjon gjøres vanligvis ved å tvinge mediumet ned ringrommet mellom produksjonsrøret, hvilket produksjonsrør fører hydrokarboner til overflaten, og (stål) foringsrøret til brønnen, videre gjennom en anordning for injeksjon og inn i produksjonsrøret. Her vil mediumet blandes med hydrokarbonene, for på denne måten å redusere den samlede tettheten til blandingen, som vil medføre at løftet i oljebrønnen forbedres. Mediumet som skal injiseres i produksjonsrøret er vanligvis gass eller vann, selv om også andre bestanddeler, slik som brønnstimuleringsfluid etc. også kan benyttes.

Egenskapene og/eller strømningen til den injiserte gass eller vann må imidlertid kontrolleres, idet parametere som trykk, hastighet, tetthet etc. er kritiske i forhold til å oppnå de mest gunstige betingelser i produksjonsrøret. De to mest vanlige typer av gass- eller vannkontrollanordninger som benyttes for å kontrollere det injiserte medium inn i produksjonsrøret er gassløfteventiler og åpninger.

Andre produksjonsfremmede fremgangsmåter foreligger, gjennom installasjon av undervanns- eller underjordiske elektrisk drevne pumper eller andre elementer for å assistere produksjonsstrømmen ut av produksjonsrøret.

Den grunnleggende ide for alle slike fremgangsmåter er å drive mer hydrokarboner ut av reservoaret.

Flere ulike prinsipper for å drive en gassinjeksjonsventil er kjent, en av disse er ba-sert på venturiprinsippene, for eksempel som beskrevet i WO 2004/092537 Al. En annen tilnærming er å ha en sentral spindel med en ytre tetningsoverflate og en gjennomgående strømning mellom et ytre hus og den sentrale spindelen over tet-ningsoverflatene, for eksempel som beskrevet i CA 02461485 Al.

Ytterligere eksempler på ventiler som benyttes i forbindelse med injeksjon av fluider i en oljebrønn er vist i US 4.565.215, US 5.070.902 og US 5.190.106. Ventilene omfatter et ytre hus og i dette anordnet et bevegelig legeme. Ved å utsette det indre bevegelige legemet for et trykk, vil ventilen kunne styres mellom en lukket og åpen posisjon.

Et vanlig problem som oppstår i forbindelse med gassløft, er strømningsustabilitet hvor dette er kjennetegnet ved store strømningsrater og trykksvingninger som kan medføre alvorlige separasjons- og gassinjeksjonsfordelingsproblemer. Disse gassløfteustabilitetene er forbundet med lavproduksjonsbrønner som har et stort ringrom og/eller produserer ved lave gassinjeksjonsrater. I tillegg kan gassløf-teustabilitet også forekomme om strømningen gjennom en gasskontrollanordning er i det subkritiske strømningsområdet. I det kritiske eller akustiske strømningsområ-det, påvirker ikke produksjonstrykket gasstrømningsraten gjennom anordningen og strømningsustabilitet kan ikke forekomme. Gasskontrollanordningen kan tenkes å være i det kritiske eller akustiske strømningsområdet med minst mulig differanse-trykk over anordningen.

For å forhindre strømningsustabiliteter, kan man øke gassinjeksjonsraten og/eller

strupe produksjonen av hydrokarboner ved brønnhodet. Dette vil imidlertid medføre i at gassinjeksjonen må gjennomføres over den mest økonomiske raten og struping-en reduserer produksjonsraten. Derfor er det økonomiske innvendinger mot de vanlige foranstaltninger for behandling av gassløfteustabiliteter.

Det er derfor et formål med foreliggende oppfinnelse å redusere og muligens lette disse problemene.

Det er videre et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en anordning som eliminerer eller reduserer strømningsustabilitet.

Det er også et formål med den foreliggende oppfinnelsen å tilveiebringe en anordning med et lavt driftsdifferensialtrykk.

Disse formål oppnås med en anordning for injeksjon av fluid ifølge oppfinnelsen som angitt i det vedlagte selvstendige krav, hvor utførelser av oppfinnelsen er gitt i de uselvstendige kravene.

Foreliggende oppfinnelse er tiltenkt for å tilveiebringe en anordning for å endre strømningskarakteristikkene som eliminerer eller reduserer strømningsustabiliteter, hvor anordningen omfatter et ytre hult hus med et indre legeme (en såkalt dart). Det indre legemet er bevegelig i den langsgående retningen av det ytre huset og omfatter en indre boring. For å tillate fluid å strømme gjennom anordningen, er både det ytre huset og det indre legemet utformet med i det minste et innløp og utløp, hvor det indre legemet forhindrer gjennomgang gjennom anordningen i en lukket posisjon. Når et differensialtrykk over anordningen ved en gitt verdi er stort nok, vil det indre legemet bli tvunget til å beveges til en åpen posisjon. I denne posisjon samsvarer utløpene i det indre legemet og det ytre hule huset med hverandre, for derved å tillate fluidet som skal injiseres i produksjonsrøret å strømme gjennom. Dette differensialtrykk kan være et fluidtrykk som virker på overflatene av det indre legemet, hvilke overflater kan utsettes for ulike fluider. Disse fluider kan være brønnfluid på en eller flere av overflatene, for å styre anordningen eller injeksjonsfluid på en overflate og brønnfluid på en annen overflate eller kombinasjoner. Ifølge et aspekt kan trykkforskjellen over det indre legemet bli understøttet av i det minste et for-håndsbestemt trykkbalansert elastisk element for å åpne og lukke anordningen.

Innløpet til det indre legemet er forbundet til utløpet av det indre legemet gjennom den indre boringen, hvor innløpet er i form av en variabel åpning. Med en variabel åpning skal det i denne søknaden forstås at åpningen endres i form over dens lengde, når sett i den langsgående retningen av anordningen. Åpningen er videre en separat enhet som kan monteres til det indre legemet gjennom en gjengeforbindelse, hvorved den følger bevegelsen til det indre legemet, eller åpningen kan festes til det indre legemet ved ulike lim, låsering(er), justeringsskrue(r) etc.

Ifølge en annen utførelse kan åpningen påmonteres eller festes til den indre overflaten av det ytre hule huset med for eksempel lim, gjengede forbindelser etc.

For å oppnå en kritisk strømning gjennom anordningen, har åpningen en variabel utforming over sin lengde. I en første utførelse er åpningen delt inn i en innløpsdel, en midtre del og en utløpsdel, hvor innløps- og utløpsdelene har form av en rettlinjet avkortet kjegle. Lengden av hver av delene, når sett i den langsgående retningen av anordningen, kan være forskjellig, hvor dette vil avhenge av mediumet som benyttes i anordningen etc. Mediumet som benyttes vil også påvirke utformingen av de ulike delene, hvor dette for eksempel kan medføre at innløpsdelen har en større åpningsvinkel enn utløpsdelen. Den indre overflaten (veggene) av innløps- og ut-løpsdelene danner en vinkel med en horisontallinje, hvor denne linjen er en tenkt forlengelse av den indre overflaten til den midtre delen.

De indre overflatene av åpningen vil gi minimal motstand mot strømningen av medium idet mediumet strømmer gjennom åpningen. Dette kan oppnås ved å maskinere de indre overflatene av hver del eller å belegge den indre overflaten med et be-legg.

Den avkortede kjeglen kan i alternative utførelser av foreliggende oppfinnelse ha sider som er krumlinjet, for eksempel konvekse eller konkave eller enhver annen form, hvor både innløps- og utløpsdelen kan være utformet med samme form. Det kan også tenkes at innløps- og utløpsdelen kan være kombinasjoner av de ovenfor beskrevne former, for eksempel kan innløpsdelen ha en konkav form mens utløpsde-len kan ha en konveks eller rettlinjet indre overflate.

Den midtre delen av åpningen kan i en første utførelse av oppfinnelsen ha en indre uniform og rettlinjet overflate, som er parallell med overflaten til den langsgående boringen til det indre legemet. Tverrsnittet til den midtre delen kan videre være mindre enn tverrsnittet til den langsgående boringen. Den indre overflaten til den midtre delen kan også ha andre former, for eksempel en utvidende eller økende form, krumlinjet etc.

Det er også mulig at en senterakse av den midtre delen er forskjøvet sammenlignet med en senterakse for den langsgående boringen, hvor dette vil gi at den indre overflaten til den midtre delen er forskjøvet, men parallell, med den indre overflaten til den indre boringen.

I nok en utførelse kan en endeterminering av utløpsdelen forlenges en lengde inn i

den langsgående boringen. Dette kan resultere i, som beskrevet ovenfor, at åpningen ikke må monteres til det indre legemet, men kan på passende måter forbindes til den indre overflaten av det ytre huset. Endetermineringen kan for eksempel være en hyl-se som er montert til utløpsdelen, hvor hylsen har en diameter som er noe mindre enn den indre diameter av den indre boringen. Dette vil medføre at bare det indre legemet beveges når trykket er stort nok til å bevege det til en åpen posisjon.

Åpningsenheten kan fremstilles fra ethvert hensiktsmessig materiale, for eksempel i et metallisk eller annet støpt/form støpt eller duktilt materiale. En fagmann vil vite hvordan dette kan gjøres.

Selv om anordningen ovenfor er henvist til som en gassinjeksjonsanordning, skal det forstås at prinsippene for anordningen også kan benyttes for andre typer av injeksjonsventiler. Dette kan for eksempel være når anordningen benyttes for injeksjon av andre bestanddeler slik som brønnstimulerende fluider, skjæreinjeksjon, vanninjeksjon etc.

Disse trekk ved den foreliggende oppfinnelsen vil tilveiebringe en anordning hvor strømningsbanen til injeksjonsfluidet hovedsakelig er mindre buktet enn andre kjente gassinjeksjonsventiler, på grunn av en mer direkte strømning gjennom boringen i det indre legemet og direkte ut gjennom slissene. Dette gir også mindre trykktap over anordningen. Ved å utforme innløpene, åpningen, utløpene og slissene på anordningen, kan en oppnå den ønskede effekt med hensyn på strømningsmønster og slitasje. Foreliggende oppfinnelse er også en forenklet anordning med få elementer sammenlignet med flesteparten av andre kjente injeksjonsventiler. Dette gir dess-uten en mer pålitelig anordning. Foreliggende oppfinnelse har også et relativt stort strømningsareal gjennom anordningen, sammenlignet med flesteparten av andre kjente injeksjonsventiler av samme størrelse.

Ovenstående og andre formål, trekk og fordeler ved oppfinnelsen vil fremgå fra føl-gende mer detaljerte beskrivelse av foretrukne, ikke begrensende utførelser av oppfinnelsen, som illustrert i de medfølgende tegninger, hvor

Figur 1 viser et tverrsnitt av en første utførelse av den foreliggende oppfinnelsen.

På figur 1 er det vist en første utførelse av en anordning ifølge oppfinnelsen, hvor anordningen benyttes som en gassløfteventil som skal anordnes i en brønnstrøm. En fagmann vil forstå hvordan dette gjøres og dette er derfor ikke beskrevet i søknaden.

På figur 1 omfatter anordningen, som normalt benyttes som en gassløfteventil, et ytre hult hus 100 med et indre bevegelig legeme 2 innvendig i det ytre hule huset 100. Det indre legemet 2 er bevegelig mellom en lukket og en åpen posisjon av anordningen, og i denne utførelsen er den vist i en åpen posisjon. Det ytre hule huset 100 er i denne utførelsen fremstilt av en hoveddel 1 og en nese 11. Nesen 11 er forbundet til hoveddelen 1 med passende innretninger, for eksempel med en gjengeforbindelse. I det ytre hule huset 100 er det anordnet et eller flere innløp 14 for injeksjonsfluid, hvor disse innløpene 14 er anordnet rundt omkretsen av det ytre huset

100.1 den viste utførelsen er det ytre hule huset 100 innrettet med fire slisser, to og to plassert ovenfor hverandre. Innløpene 14 er i kontakt med en injeksjonsfluidkilde (ikke vist). På motsatt ende av det ytre huset 100, det vil si i nesen 11, er det anordnet et eller flere utløp 5, hvor disse utløpene 5 også er anordnet rundt omkretsen av nesen 11.

Fra innløpene 14 strømmer injeksjonsfluidet inn i et indre hulrom 15 i det ytre hule huset 100 gjennom en åpning 4 og inn i en indre boring 3 i det indre legemet 2. Åpningen 4 i denne utførelsen er en separat enhet, men er montert med en gjengeforbindelse 7 på en utside av en ende av det indre legemet 2, og danner derfor en del av den indre boringen 3. Boringen 3 strekker seg i en langsgående retning av det indre legemet 2 fra en ende av det indre legemet 2 og nesten til den andre enden av det indre legemet 2. Injeksjonsfluidet vil deretter i en åpen posisjon av ventilen strømme gjennom en eller flere slisser 6 som leder fra den indre boringen 3 til utsi-den av det indre legemet 2.1 det viste eksempelet er fire slisser 6 anordner rundt omkretsen av det indre legemet 2, men det kan selvsagt være anordnet færre eller flere slisser 6 rundt omkretsen av det indre legemet 2.1 en åpen posisjon av ventilen er slissene 6 i det indre legemet 2 rettet inn med utløpene 5 i det ytre hule huset 100, for derved å lede injeksjonsfluidet ut i prosessfluidstrømmen. Injeksjonsfluidet vil i denne åpne posisjonen av anordningen derfor ha et strømningsmønster med et minimum antall avbøyninger og/eller andre hindringer, hvor dette vil resultere i mi-nimale trykktap over ventilen.

Som det kan ses av figuren omfatter det indre legemet 2 en ringformet ventiltet-ningsoverflate 19, med en hovedsakelig konisk formet overflate. Denne overflaten 19 er anordnet nær en ende av det indre legemet 2 med enden av den konisk forme-de overflaten med den største diameteren, lengst vekk fra slissene 6 i det indre legemet 2. Slissene 6 er anordnet nær en ende av det indre legemet 2, og overflaten 19 nærmere samme ende av det indre legemet 2. Tetningsoverflaten 19 i det indre legemet 2 samvirker med et ventilsete 20 anordnet i det ytre hule huset 100. Ventilsetet 20 i det ytre hule huset 100 er anordnet på den relativt sett andre siden av slissene 6 og utløpene 5, hvor disse er rettet inn ovenfor hverandre i en åpen posisjon av ventilen, sammenlignet med tetningsoverflaten 19 i det indre legemet 2, sett i den langsgående retningen av anordningen. I en lukket posisjon beveges det indre legemet 2 relativt det ytre hule huset 100 slik at tetningsoverflaten 19 støter mot ventilsetet 20, som gir en tettende, metall-til-metall tetning for ventilen. I denne lukkede posisjonen vil slissene 6 i det indre legemet 2 være posisjonert inne i ventilen og utløpene 5 i det ytre hule huset 100 på den andre siden av samvirkningen mellom den tettende overflaten 19 og ventilsetet 20. Tetningsoverflaten på det indre legemet 2 og ventilsetet 20 i det ytre hule huset 100 vil i en åpen posisjon av anordningen være i det minste delvis dekket av andre elementer i anordningen, henholdsvis det ytre hule huset 100 og det indre legemet 2.

Åpningen 4 har et viktig formål i anordningen og det er å oppnå en kritisk strøm-ning for injeksjonsmediet, hvor dette oppnås ved å dele åpningen 4 i tre ulike deler, nemlig en innløpsdel 8, en midtre del 9 og en utløpsdel 10, som leder injeksjonsmediet inn i den indre boringen 3. Selv om det på figuren er vist at åpningen er bestå-ende av tre deler skal det forstås at åpningen 4 også kan deles inn i flere deler. Delene 8, 9, 10 er forbundet med hverandre og kan fremstilles ved å maskinere åpningsenheten 4 eller ved støping. En fagmann vil vite hvordan dette kan gjøres.

I denne utførelsen er lengden av de ulike delene 8, 9, 10 av åpningen 4, når sett i den langsgående retningen av anordningen, ulik, men de kan også være av samme lengder. Innløpsdelen 8 og utløpsdelen 10 har en form av en avkortet og rettlinjet kjegle. Indre overflater eller vegger av innløpsdelen 8 og utløpsdelen 10 danner en vinkel 13 med en horisontal linje 12, hvor denne horisontale linjen 12 er en tenkt forlengelse av den indre overflaten til den midtre delen 9. Vinkelen 13 (åpningsvinkelen) kan for eksempel være opp til 80 grader, og i den viste utførelse er åpningsvinkelen til innløpsdelen 8 større enn åpningsvinkelen til utløpsdelen 10. Innløpsde-len 8 vil videre snevre inn til samme form eller tverrsnitt som den midtre delen 10 har.

Den midtre delen 10, som forbinder innløpsdelen 8 og utløpsdelen 10, er utformet som en boring, hvor den indre overflaten er uniform og rettlinjet. En senterakse 21 i den midtre delen 9 sammenfaller med en senterakse 21 til den indre boringen 3, og den indre overflaten til den midtre delen 9 er derfor parallell med den indre overflaten til den indre boringen 3. Den midtre delen 9 har videre en mindre diameter enn den indre boringen 3.

Utløpsdelen 10 vil ha sitt minste tverrsnitt hvor den er forbundet til den midtre delen 9, og vil deretter vide ut når sett i den langsgående retningen av anordningen inntil den forbindes med den indre boringen 3.

Tverrsnitt tatt langs plan perpendikulære til åpningens 4 senterakse 21 har en sirku-lær form. Andre geometrier kan imidlertid være mulige.

I en utførelse av den foreliggende oppfinnelsen er åpningen 4 fremdeles formet som en avkortet kjegle, men de indre overflatene eller veggene til innløpsdelen 8 og ut-løpsdelen 10 er utformet konkavt.

Når anordningen benyttes som en gassløfteventil, entrer trykksatt gass ved injek-sjonstrykk anordningen gjennom innløpene 16 og inn i det indre hulrom 15 i det ytre hule huset 100, og strømmer deretter gjennom åpningen 4. Den trykksatte gassen vil oppnå en økning i strømningshastigheten og reduksjon i trykket gjennom innløpsdelen 8 i åpningen 4, hvor disse parametrene "stabiliseres" i den midtre delen 9 av åpningen 4; over utløpsdelen 10 vil strømningshastigheten for den trykksatte gassen avta, mens trykket vil øke inntil den komprimerte gassen entrer den indre boringen 3, gjennom hvilken parametrene igjen "stabiliseres". Gassen slippes deretter ut gjennom slissene 6 og utløpene 5 ved produksjonstrykket, og gassen passerer inn i produksjonsrøret.

Bare elementer som vedrører oppfinnelsen er beskrevet og en fagmann vil forstå at et ytre hult hus eller indre legeme kan dannes i en enhet eller bestå av flere for-bundne elementer, og at innløpene må forbindes til en fluidkilde som skal injiseres, at det burde være hensiktmessige festeanordninger for å feste ventilen i prosessflu-idstrømmen, og at det eksempelvis selvsagt vil anordnes tetningselement mellom flere elementer som standard. Fagmannen vil også forstå at en kan gjøre flere end-ringer og modifikasjoner av de beskrevne og viste utførelser som ligger innenfor omfanget av oppfinnelsen slik den er definert i de følgende krav.

Claims (9)

1. Anordning for injeksjon av fluider i et prosessfluid, for bruk i en oljebrønn, om-fattende et ytre hult hus (100) med i det minste et innløp (14) og et utløp (5) og et indre legeme (2) bevegelig i en langsgående retning innvendig i det ytre hule huset (100) for derved å danne en lukket og åpen tilstand av anordningen, hvor bevegelsen av det indre legemet (2) styres av differansetrykket over anordningen, hvor det indre legemet (2) videre omfatter en hovedsakelig langsgående boring (3) med et utløp (5) i form av i det minste en slisse (6) fra boringen (3) til en utside av det indre legemet (2), karakterisert ved at den indre boringen (3) ved et innløp omfatter en åpning (4) med et variabelt tverrsnitt langs den langsgående aksen av boringen (3).

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at åpningen (4) er en adskilt enhet, montert til det indre legemet (2) gjennom en gjengeforbindelse.

3. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at åpningen (4) er delt i en innløpsdel (8), en midtdel (9) og en utløpsdel (10), hvor innløps- og utløpsdelen (8, 10) har form av en avkortet kjegle.

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at sidene i den avkortede kjeglen er rettlinjede.

5. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at sidene i den avkortede er krumlinjede.

6. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at innløpsdelen (8) har en bredere åpningsvinkel enn utløpsdelen (10).

7. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at midtdelen (9) har en indre ensartet overflate som er hovedsakelig parallell med den langsgående boringen (3) i det indre legemet (2), og hvor et tverrsnitt av midtdelen (9) er mindre enn et tverrsnitt av den langsgående boringen (3).

8. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at en endeavslutning av utløpsdelen (10) er forlenget en lengde inn i den langsgående boringen (3).

9. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at senteraksen til midtdelen (9) er forskjøvet i forhold til en senterakse av den indre boringen (3).