NO340058B1 - System for kontinuerlig evaluering av borevæskeegenskaper - Google Patents

Description

System for kontinuerlig evaluering av borevæskeegenskaper

Den foreliggende oppfinnelse gjelder et system og en fremgangsmåte for kontinuerlig å evaluere borevæskeegenskapene i tilførselsledningene for boreslam i en boreinstallasjon 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 inneholder en prøve av borevæsken.

Andre måter å evaluere borevæskens egenskaper på er å montere et eksempelvis et Coriolismeter som måler volumstrømningsrate og tetthet til borevæsken i tillegg til å kombinere dette med måling av nivået i borevæsketankene. Eksempler på disse systemene kan deet refereres til patentene US1981/4290305, US2001/6257354, US2003/6650280, US2010/7823656.

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.

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 borestrengens forstyrrelser 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.

I patenten US1991/5063776 er det beskrevet bruk av en vinkelsensor eller tilsvarende pendelsensor montert i nærheten av nivåmåleren. Bruk av en slik sensor er ikke tilstrekkelig, siden den foreliggende oppfinnelsen inkluderer bruk av en gyrosensor som måler mekanisk bevegelse i tre dimensjoner, som i tillegg er montert direkte på målepunktet for å gi den nødvendige nøyakgihet i bevegelsesmålingene.

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 vil 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. Utførelseformer fremsettes i de vedlagte avhengige kravene.

I følge et aspekt av den foreliggende oppfinnelse, tilveiebringes et system for å evaluere boreslamegenskaper i en boreinstallasjon mellom hovedpumpemanifolden og toppen av borestrengen, 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.

Det foreliggende system kan også innebefatte temperatur og trykkmålinger i nærheten av de rette rørsegment eller hovedpumpemanifolden i tillegg til en manifold med en styrt ventil som kan lukke strømningspassasjen til toppen av borestrengen, og åpne en returlinje tilbake til tank; der returlinjen har en strupningsventil som kan benyttes til å endre trykkforholdene i de rette rørsegmentene; og et styremiddel som er tilpasset til å kunne styre strupningsventilen og/eller hovepumperaten, og beregne boreslamegenskaper som tetthet og strømningstrykkfall basert på en kombinasjon av de nevnte målinger.

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 beregning av trykkforholdene i brønnen.

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 boring pågår og væskestrømmen pumpes inn i borestrengen, og mens boring ikke pågår og væskestrømmen pumpes inn i returrøret.

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 antall slag på hovedpumpe for å avgjøre strømningshastighetet gjennom rørsegmentet. Dette aspekter 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 et første rørsegment 110 som har påmontert en differensialtrykkmåler 111. Differensialtrykkmåleren 111 måler trykket mellom prosesstilkoblingene på rørsegmentet 110. Gyroelement 115 og 116 er montert ved prosesstilkoblingene. Det andre rørsegmentet 120 har også påmontert på tilsvarende måte både differensialtrykksensor 111 og gyroelementene 125 og 126. Målingene fra gyroelementene og differensialtrykksensorene registreres og behandles ved hjelp av styremiddelet 140.

Vinkelen mellom rørsegment 110 og 120 kan være mellom 0 grader og 180 grader i forhold til hverandre, men det tilstrebes en mest mulig horisontal og vertikal plassering av rørsegment, og i det minste slik at vinkelen i rørsegment 110 er forskjellig fra rørsegment 120. Typisk sett vil rørsegment 110 plasseres i en tilnærmet horisontal stilling, mens rørsegment 120 plasseres i en tilnærmet vertikal stilling. Lengden på rørsegmentene kan variere, typisk vil disse være mellom 1 og 30 meters lengde, men både kortere og lenger rørsegmenter kan benyttes. Diameter vil typisk sett være lik borestrengens diameter, men både større og mindre diameter kan benyttes.

For å kompensere for temperatur og trykkvariasjoner, monteres det en temperatursensor 106 og en trykksensor 107 oppstrøms av rørsegmentene 110 og 120.

Etter det siste rørsegmentet kan borevæsken enten ledes via en treveis ventil 130 til toppen av borestrengen 210 eller via returrøret 131 til strupningsventilen 132. Derfra følger boreslammet tilbake til tanken 200 via returkanalen 230.

Borevæsken pumpes ved hjelp av pumpen 101 fra tanken 200. Et strømningsmålingsdetektor 105 måler væskestrømmens volumrate, det kan være slag per minutt teller eller et tachometer eller et annet deteksjonemiddel der man kan utlede strømningsrate.

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 (7)

1. System (100) for å evaluere borevæskeegenskaper i en boreinnretning, spesielt for å evaluere borevæskens tetthet og strømningstap, der systemet innebefatter: Minst et rørsegment (110) med påmontert minst en gyrosensor og minst en differensialtrykksensor, der gyrosensoren måler vinkler i tre dimensjoner og monteres i samme posisjon som differensialtrykksensoren; og Styremiddel (140) tilpasset for selektivt eller sekvensielt beregne borevæskens tetthet og strømningsfriksjonstrykktap basert på målt differensialtrykk og rørets vinkler i forhold til tre plan.

2. System i følge krav 1, videre innebefattende deteksjonsmiddel (105) for å detektere strømningsrate gjennom rørsegmentet (110), der rørsegmentet (110) sin vinkel i forhold til horisontalplanet er mer en 0 grader og mindre enn 180 grader.

3. System i følge krav 1 eller 2, videre innebefattet et rørsegment (120) der rørets vinkel i forhold til horisontalplanet er forskjellig fra rørsegment (110), hvori styremiddelets beregner tettheten og strømningstrykkfall ved hjelp av de to differentialtrykksensorene og de to gyrosensorene.

4. System i følge krav 1, 2 eller 3, videre innebefattet en temperatursensor (106) og trykksensor (107) for å korrigere tetthetsberegningen og strømningstrykktapsberegningen ved varierende trykkforhold og temperaturforhold.

5. System i følge krav 4, videre innebefattet en returrørsegment (131) med en strupningsventil (132), hvori styremiddelet (140) kan justere trykkforholdene i rørsegmentene ved å justere på åpningen i strupningsventilen (132).

6. Fremgangsmåte for kontinuerlig å evaluere borevæskens tetthet og strømningstrykkfall, hvori minst et rørsegment (110) og minst et deteksjonsmiddel (105) for strømningsrate, der fremgangsmåten innbefatter: å registrere differensialtrykket (111) når deteksjonsmiddelet for strømningsrate (105) registrerer null strømningsrate; å beregne borevæskens tetthet ved hjelp av det registrerte differensialtrykket (111), lengden på rørsegmentet, og vinkelen i forhold til horisontalplanet (115),(116); å registrere differensialtrykket når deteksjonsmiddelet for strømningsrate (105) registrerer mer enn null strømningsrate; og å beregne borevæskens friksjonstrykktap ved hjelp av det registrerte differensialtrykket (111), lengden på rørsegmentet og vinkelen i forhold til horisontalplanet (115),(116).

7. Fremgangsmåte i følge krav 6, videre innebefattet et rørsegment (120), der fremgangsmåten innbefatter: å registrere differensialtrykket og vin kei posisjon for både rørsegment (110) og (120); å beregne borevæskens tetthet ved hjelp av registrert differensialtrykk (111), og differesialtrykk (121), lengden på rørsegment (110) og rørsegment (120), og vinkel (115), (116), (125) og (126) i forhold til horisontalplanet; å beregne borevæsken strømningstrykkfall ved hjelp av den beregnede tettheten til borevæsken, og det ene rørsegment (110) sitt registrerte differensialtrykk (111) eller det andre rørsegment (120) sitt registrerte differensialtrykk (121).