NO167058B - System for detektering av en trykkboelge - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et system for detektering av en trykkbølge, av en type som innbefatter midler for injisering av et borefluidum, og midler for gjenvinning av borefluidet etter at det har sirkulert i en brønnboring, en innretning for tilveiebringelse av i det minste en trykkbølge, midler for detektering av trykkbølgen idet den går gjennom en første ledning hvori borefluidet sirkulerer i uforurenset tilstand og midler for detektering av trykkbølgen idet den går gjennom en andre ledning, hvori borefluidet sirkulerer og kan være forurenset av et reservoarfluidum som er innført i borefluidet på et hvilket som helst sted i brønnboringen, idet innretningen for tilveiebringelse av en trykkbølge innbefatter et stasjonært element for struping av strømnings-passasjen for borefluidet, et bevegbart organ som er plassert i strømningsbanen til borefluidet i aksen til det nevnte stasjonære strupeelement og tilveiebringer en trykkbølge som følge av deres forskyvning i retning mot strupeelementet, og en hydraulisk enhet med et stempel for tilveiebringelse av den nevnte forskyvning av det bevegbare organ.

Når en brønn bores ved hjelp av et roterende boreverktøy ved hjelp av overflateutstyr eller utstyr nede i borehullet, tilføres boreverktøyet et borefluidum som eksempelvis består av slam med en viss kjent sammensetning, idet dette slammet tjener til både å kjøle boreverktøyet og å transportere borkaks fra den formasjon som bores. Boreslammet strømmer oppover fra bunnen av borehullet og opp til overflaten gjennom det rlngrom som dannes mellom borestrengen og det utborede hull eller en foring.

Når reservoargass, så som gass som produseres 1 den borede formasjon, strømmer inn 1 borehullet, vil gassen blande seg med boreslammet. Det er nødvendig å kunne detektere denne gassen for derved å sikre seg mot uhell eller for å kunne treffe avhjelpende tiltak så raskt som mulig.

Det er kjent et større antall detekteringsmetoder og-innretninger. Man kan her tale om to grupper.

Den ene gruppen innbefatter overflatemålinger, eller med andre ord, det dreier seg om detektering av gass ved hjelp av instrumenter som er plassert ved brønnhodet. Detekteringen skjer ved at man måler nivået 1 slamtankene (såkalte slamgroper hvorfra boreslam tas og føres ned i brønnen, idet slammet går tilbake til disse slamgropene ifra brønnen) fordi en økning i slamnivået vil indikere at formasjonsfluidum har trengt inn i slammet. Det er også mulig å måle slamstrøm-ningsmengden og/eller siamtettheten ved innløpet og utløpet til henoldsvis fra borehullet. Måleinstrumentene kan også bygge på bruk av kromatografi-teknikk.

Dersom det forekommer en meget høy gasskonsentrasjon, slik tilfellet vil være når gassen strømmer raskt ned i brønnen og i store mengder, så vil det være mulig å detektere gassen ved hjelp av de ovenfor nevnte målemetoder. Er imidlertid gasskonsentrasjonen 1 boreslammet lav, eller skjer gass-inntrengningen i en betydelig dybde i borehullet, så vil detekteringsmidlene reagere på et meget sent tidspunkt, det vil si praktisk talt når gassen er kommet opp til overflaten. Den tid som står til rådighet for å treffe de nødvendige sikkerhetsforanstaltninger, vil i et slikt tilfelle være meget kort, og det hender ofte at man ikke kan unngå uhell. Når det gjelder flottørinstrumenter som brukes i forbindelse med offshore-boreoperasjoner, så gjelder at nivåmålinger i slamtanker og målinger av slammengder er unøyaktige. Grunnen til dette er at boreplattformen beveger seg.

Den andre gruppe innbefatter detekteringsinstrumenter som er plassert i bunnen av borehullet i høyde med boreverktøyet. Disse instrumenter muliggjør en meget nøyaktig detektering, men de er tunge og dyre, da de nemlig betinger bruk av en overføringsinnretning for å bringe informasjonen opp fra bunnen av borehullet og opp til overflaten.

Foreliggende oppfinnelse vedrører et system for detektering av et reservoarfluidum, hvilket system kan plasseres i den førstnevnte av de to grupper.

Den metodikk som benyttes er av den type som beskrives 1 US-PS 4.241.123 for detektering av et reservoarf luidum i en formasjon som undersøkes. Det tilveiebringes 1 det minste én trykkbølge i et borefluidum som sirkulerer i midlene som benyttes for boring i formasjonen, og man måler forplantningstiden for trykkbølgen mellom et lnnløpssted og et utløpssted 1 boremldlene. Innløpsstedet svarer til det sted hvor borefluidet innjiseres og derfor ikke har noen spor av reservoarfluidum, mens utløpspunktet er plassert i slam-returen og svarer til et punkt hvor trykkbølgens hastighet i borefluidet er modifisert som følge av påvirkning fra reservoarfluidum.

Med uttrykket "reservoarfluidum" skal her forstås et hvilket som helst fluidum som kan forekomme 1 et brønnhull og som er istand til å modifisere borefluidet i et gitt øyeblikk og på en slik måte at hastigheten til en trykkbølge som sendes ut 1 boreslammet modifiseres mellom det punkt hvor boreslammet går inn i brønnhullet og det punkt hvor slammet går ut fra brønnhullet.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det derfor et system for detektering av en trykkbølge, som angitt i krav l's innled-ning, og med det der 1 karakteristikken angitte kjennetegn. Med oppfinnelsen kan man detektere et reservoarfluidum, så som gass, med tilstrekkelig nøyaktighet til at man kan treffe alle egnede sikkerhetstiltak.

Nok en fordel er at midlene for tilveiebringelse av trykk-bølgen kan forhåndsinnstilles som en funksjon av strømnings-hastigheten til borefluidet i brønnhullet.

Nok en fordel er at komponentene 1 detekteringssystemet er lett tilgjengelig og at det Ikke er behov for vesentlig utstyr og/eller stopping av boreutstyret for vedlikehold av systemet.

Andre fordeler og trekk ved oppfinnelsen vil gå frem av den etterfølgende beskrivelse av et foretrukket utførelsesek-sempel av oppfinnelsen, under henvisning til tegningene, hvor:

figur 1 viser en borering, rent skjematisk,

figur 2 viser et blokkdiagram for detekteringssystemet

ifølge oppfinnelsen,

figur 3 viser et snitt gjennom innretningen som benyttes

for tilveiebringelse av trykkbølgen,

figur 4 viser et snitt etter linjen III-III i figur 3, og figur 5 viser et grafisk bilde av et signal for styring av stemplet i den i figur 3 viste innretning (trykk P som funksjon av tid T).

Den i figur 1 viste borerigg innbefatter et tårn 1 hvori det er montert et brønnhode og de elementer som er nødvendig for boringen. Blant disse elementer er det i figur 1 vist sikkerhetsventiler 2 som er montert over ringåpnlngen mellom en foring 3 og: strengen 4. Et borefluidum, som vanligvis består av slam som lagres 1 en tank 5, trekkes ut fra tanken ved hjelp av en pumpe 6 og injiseres via en ledning 8 i et injiseringshode 7 i tårnet 1. Etter at fluidet har sirkulert i brønnhullet, returneres slammet til tanken 5 gjennom returledningen 9..

Systemet for detektering av et reservoarfluidum som kan fremkomme under boringen av en brønn, Innbefatter en hydraulisk kraftenhet 10 som ved hjelp av en fleksibel høytrykksledning 11 og en fleksibel lavtrykksledning 12 er tilknyttet en trykkbølge-innretning eller -generator 13 som er montert på ledningen 8 mellom pumpen 6 og injiseringshodet 7. Ledningen 11 og 12 har samme diameter og ledningen 11 er tilførselsledningen for den hydrauliske væske, mens ledningen 12 er returledningen. Ledningen 8 er delt opp 1 to grener, nemlig en oppstrømsgren 8a og en nedstrømsgren 8b.

I figur 2 er det rent skjematisk vist hvordan detekteringssystemet er bygget opp. Oppstrømsgrenen 8a er anordnet horisontalt, og nedstrømsgrenen 8b er vertikal. Dette arrangementet er Imidlertid bare valgt for å vise systemet, og arrangementet kan naturligvis ha en annen utforming. Det skal her særlig nevnes at arrangementet kan være slik at trykkbølge-generatoren kan monteres vertikalt. Trykkbølge-generatoren 13 vil bli beskrevet mer detaljert nedenfor. Mellom oppstrømsgrenen 8a og nedstrømsgrenen 8b er det anordnet en stasjonær struper 33 i form av en strupernippel. Nippelen 33 er fortrinnsvis montert i et T-stykke 14 som utgjør en del av generatoren 13. Dette T-stykket 14 har tre grener, nemlig en første gren 14a som er tilknyttet opp-strømsgrenen 8a, en andre gren 14b som er tilknyttet nedstrømsgrenen 8b og en tredje gren 14c som er tilknyttet en mekanisk innretning 15 for tilveiebringelse av trykkbølger. Innretningen 15 er forsynt med en servoventil 16. Oppbyg-gingen og virkemåten til denne servoventllen er velkjent for fagfolk og skal her Ikke beskrives nærmere. Som eksempel på en egnet ventil, kan nevnes den som markedsføres av The Moog Company, med referansenummeret 73232. Servoventllen 16 er ved hjelp av ledninger 17 tilknyttet et hydraulisk styresystem 18. Et egnet styresystem markedsføres av The Moog Company med referansenummeret FO 82-310. Den hydrauliske kraftenhet 10 kan være av en type som fremstilles av The Viso Company, type 3-210-30, og enheten 10 er tilknyttet en hydraulisk akkumulator 19. Et filter 20 er montert i høytrykksledningen 11 og virker som en sperre for eventuelle urenheter i fluidumet fra den hydrauliske kraftenhet 10. En hydraulisk overføringsakkumulator 21, eksempelvis av en type som markedsføres av The Leduc Company med referansenummeret 0,5 1-400-b, er montert mellom innretningen 15 og grenen 14b. En oppstrømstrykkføler 22 er montert i oppstrømsgrenen 14a, og en nedstrømstrykkføler 23 er montert 1 nedstrømsgrenen 14b. Følerne 22 og 23 tjener til å måle den trykkforskjell som foreligger 1 boreslammet som sirkulerer mellom de to grenene 14a og 14b. Følerne 22 og 23 er tilknyttet den hydrauliske styreenhet 18 ved hjelp av ledningene 24 og 25. Følerne 22 og 23 kan være av en type som betegnes som TMP 13 og markedsføres av The Transmelec Company. Ledningen 25 knytter også føleren 23 til en elektronisk krets 26 for tllforming av tldsreferanseslgnalet, mens en annen elektrisk krets 27 er forbundet med en føler 28 som utgjør mottageren for en trykkbølge som forplanter seg gjennom boreutstyret. Føleren 28 er plassert ved utløpspunktet, og følgeren 23 er plassert ved innløpspunktet. Kretsen 27 er også en krets for tllforming av tldsslgnalet. De to kretsene 26 og 27 er forbundet med et kronometer 19 som måler den tid AT som trykkbølgen bruker for å tilbakelegge strekningen fra lnnløpsføleren 23 til utøpsfølereri 28. Tidsintervallet AT overføres via en ledning 30 til en opptegner 31. En referansesignal-generator 32 tilveiebringer elektriske pulser som svarer til den ønskede trykkbølgeform.

Innretningen for tilveiebringelse av trykkbølgene som sendes ut i regulære tidsintervaller, er vist i figur 3.

Strupenippelen 33 er montert i grenen 14a, idet den er skrudd inn. Trykkbølgegeneratorens hus 34 er montert i grenen 14c. Huset er festet til T-stykket 14 ved hjelp av en festemutter 35 og skruer 36. Det er lagt inn O-ringer 37 mellom huset og T-stykket. Den fremre enden av en bæreblokk 38 er ført inn 1 den bakre, ytre delen av huset 34, og servoventllen 16 er montert på denne bæreblokken på egnet måte. Blokken 38 kan være fastgjort i huset 34 på egnet måte, og i figur 3 er den skrudd inn på plass. En sylinder 39 og en fremre styring 40 er anordnet inne i huset 34. Ved hjelp av den fremre styring 40 holdes sylinderen 39 i anlegg mot huset 34 og blokken 38. En ring 41 og en ytre lagerring 42, som holdes på plass ved hjelp av skruer 43, tjener til å holde ikke viste O-ringer på plass. Et dobbeltvirkende stempel 44 er plassert i sylinderen 39. Stemplet 44 er forsynt med et konisk stempel-stanghode 45, hvor det som vist er anordnet en bremsering 46. I sylinderen 39 er det fire boringer 47 for innføring eller utslipplng av olje som tilføres et oppstrømkammer 48 mellom stemplet 44 og en indre endeflate 49 i sylinderen 39. Oppstrøm-kammeret 48 står gjennom boringene 47 i forbindelse med et rlngkammer 50 som er utformet i bæ r eb lokk en 38. Ringkammeret 50 tilføres trykkolje fra servoventllen 16. Et sirkulært kammer 52 er utformet 1 blokken 38 og står 1 forbindelse med et nedstrømskammer 53 bak stemplet 44. Forbindelsen skjer gjennom ringrommet 54 mellom huset 34 og sylinderen 39, og gjennom porter 55. Et bakre trykkutligningskammer 56 er utformet i sylinderens 39 indre endeflate, og et fremre trykkutligningskammer 58 er utformet mellom styredelen 40 og stempelstangen 57. Kammerne 56 og 58 står i forbindelse med hverandre gjennom er vertikal boring 59 og en horisontal boring 60 i stempelstangen 57. Den horisontale boring 60 flukter med en kanal 61 utformet i blokken 38. Trykkutligningskammerne 56 og 58 tilføres trykkutligningsfluidum, særlig olje hvis trykk er lik trykket til boreslammet som strømmer inn i grenen 14b i det nevnte T-stykket 14. Denne trykkutligningsfunksjonen tilveiebringes av den hydrauliske akkumulator 21 hvis oljefylte kammer 21a står i forbindelse med kanalen 61 gjennom en forbindel-seslednlng 62 som munner 1 blokken 38 ved 63, mens det slamfylte kammer 21b 1 den hydrauliske akkumulator er tilknyttet grenen 14b ved hjelp av en ledning 64. Det trykk som til enhver tid hersker i trykkutligningskammerne 56 og 58 vil således være lik trykket til slammet som injiseres i brønnhullet. Kanalene 65 og 66 1 blokken 38 tjener til å forbinde henholdsvis kammeret 52 og 50 med servoventllen 16. Den fleksible ledning 12 som gir retur til kraftenheten 10, leverer i virkeligheten til en oljebeholder som Inngår som en del av den hydrauliske kraftenhet 10.

Forskyvningen av stemplet 44 og derved også forskyvningen av hodet 45 settes Igang og styres og den hydrauliske styreenhet 18 gjennom servoventllen 16. Stempelbevegelsen vil være avhengig av det signal som leveres av signalgeneratoren 32 til den hydrauliske styreenhet 18. Signalgeneratoren 32 er forsynt med ikke viste midler som kan velge ut styreslgnalet som en funksjon av trykkforskjellen AP mellom grenene 14a og 14b som målt av følerne 22 og 23. Denne trykkforskjellen AP såvel som det på forhånd bestemte signal overføres til Inngangene i en differensialforsterker (Ikke vist på tegningene, men inkorporert i generatoren 32) hvis utgang er tilknyttet styreenheten 18 gjennom en ledning 67. På denne måten er man sikret at det koniske hodet 45 vil forskyves på en slik måte at trykkbølgen følger formen til det signal som leveres av generatoren 32.

Et eksempel på et signal levert av generatoren er vist i figur 5. Når det er bestemt at det skal tilveiebringes en trykkbølge med en bestemt frekvens 1 boreslammet som injiseres i boreutstyret, blir et styreslgnal av den type som er vist i figur 5 levert av generatoren 32 til en hydrauliske styreenhet 18, eksempelvis på tidspunktet TQ. Olje slippes da Inn 1 kanalen 66 og strømmer inn i kammeret 50 og går videre gjennom boringene 47 og inn i kammeret 48. Olje-trykket i kammeret 48 forskyver stemplet 44 i strømnings-retningen til vannet med en slik bevegelse at den relative stillingen av hodet 45 i forhold til nippelen 33 vil gi en reduksjon i tverrsnittsarealet for boreslamstrømmen ved utløpet av nippelen 33, med en tilhørende trykkforskjell AP som måles av følerne 22 og 23 og som eksempelvis ligger mellom 0,1 MPa til 0,5 MPa. Trykkøkningen og tidsøkningen til den tilsvarende forskyvning av hodet 45 skjer mellom tidspunktene T0 og Tl, idet 0,2£Tl-To£5s. Hodet 45 fortsetter å bevege seg mot nippelen 33 mellom tidspunktene T2 og T^ helt til trykkforskjellen AP2 er nådd, Idet da eksempelvis 2 MPa £ AP2 £ 5 MPa og 0,04 a £ T2 - Tj £ ls-Mellom tidspunktene T2 og T3 vil hodet 45 være stasjonært, med 0 si T3 - T2 1 ts. Det vil imidlertid være klart at istedenfor at signalet er konstant med verdien AP2, kan signalet om nødvendig modereres under forutsetning av at nivået ikke overskrider verdien til det trykk som svarer til AP2.

Hodet 45 går tilbake til sin utgangsstilling med en bevegelse som er omvendt av den foran beskrevne, slik det klart går frem av figur 5. Denne relativt langsomme resiproserende bevegelse mellom TG og T^ og mellom T4 og T5 foretrekkes fremfor en rask retur, fordi man derved unngår uønskede påkjenninger på de bevegede mekaniske deler og hindrer sjokk og støt mellom delene. Returbevegelsen skjer ved at trykkolje slippes inn i oppstrømskammeret 53. Denne oljen sirkulerer suksessivt i kanalen 65, kammeret 52, ringrommet 54 og porten 55. Utligningstrykket i kammeret 58, som virker på den bakre delen av stempelstangen 57, vil kompensere for slamtrykket på stempelstangen ved den ende som svarer til det koniske hodet 45. Den hydrauliske jekk som foreligger vil således være helt stabil og krever ingen styring, uavhengig av slamtrykket i grenen 14b.

Mellom tidspunktene og T2 eller T3, som svarer til en rask fremføring av hodet 45 mot nippelen 33, tilveiebringes det en trykkbølge i boreslammet som sirkulerer i T-stykket. Denne trykkbølgen forplanter seg i slamkretsen mellom innløpsstedet, som svarer til plasseringen av føleren 23 som gir et signal i det øyeblikk som bølgen passerer, og et utløpssted som svarer til det sted hvor føleren 28 er plassert, hvilken føler leverer et signal når bølgen passerer. Føleren 28 er plassert Inne i en del av boreutstyret hvor boreslammet går ut av brønnen. Fortrinnsvis er føleren 28 plassert i ringrommet som på vanlig måte dannes mellom rørstrengen og foringen, og i en avstand på eksempelvis 3m under det nivå hvor slammet gjenvinnes gjennom ledningen 9 og går tilbake til slamtanken 5. Dersom intet reservoarfluidum, så som en gass, forekommer i brønnhullet, vil hastigheten til trykkbølgen i boreslammet mellom følerne 23 og 28 ikke modifiseres, og forplantningstiden til bølgen vil være kjent og målt. Så snart imidlertid gass blander seg med slammet, vil trykkbølgens hastighet modifiseres tilsvarende (i retning av en redusert verdi) og føleren 28 vil detektere at en bølge går forbi på et tidspunkt som adskiller seg fra det forannevnte. Målingen av tidspunktet for trykkbølgens passering gjør det mulig i realtid å følge den progressive variasjon av hastighetsverdien i slammet mellom følerne og å detektere forekomsten av en gass i brønnhullet i løpet av en meget kort tid, slik at man kan treffe de egnede sikkerhetstiltak.

Man vil forstå at det er opp til fagmannen å velge de pulser og/eller signaler som leveres av generatoren og som anses for å være best egnet som slampumpens leveringsmengde. For å sikre seg mot falske signaler kan signalene fra følerne 23 og 28 føres igjennom et filter.

Claims (4)

1. System for detektering av en trykkbølge, av den type som innbefatter midler (7) for injisering av et borefluidum, og midler (9) for gjenvinning av borefluidet etter at det har sirkulert i en brønnboring, en innretning (13) for tilveiebringelse av i det minste en trykkbølge, midler for detektering av trykkbølgen idet den går gjennom en første ledning (8) hvori borefluidet sirkulerer i uforurenset tilstand og midler for detektering av trykkbølgen idet den går gjennom en andre ledning (9), hvori borefluidet sirkulerer og kan være forurenset av et reservoarf luidum som er innført i borefluidet på et hvilket som helst sted i brønnboringen, idet innretningen for tilveiebringelse av en trykkbølge innbefatter et stasjonært element (33) for struping av strømningspassasjen for borefluidet, et bevegbart organ (45) som er plassert i strømningsbanen til borefluidet i aksen til det nevnte stasjonære strupeelement og tilveiebringer en trykkbølge som følge av deres forskyvning i retning mot strupeelementet (33), og en hydraulisk enhet med et stempel (44) for tilveiebringelse av den nevnte forskyvning av det bevegbare organ, karakterisert ved en hydraulisk styreenhet (18) for styring av stempelbevegelsen i den hydrauliske enhet som en funksjon av trykkforskjellen i borefluidet mellom to punkter (22, 23) som er plassert henholdsvis nedstrøms og oppstrøms for det stasjonære strupeelement (33).

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at trykkbølgen moduleres som en funksjon av trykkdifferansen.

3. System ifølge krav 2, karakterisert ved at trykkbølgen moduleres på en slik måte at man sikres at amplituden øker litt under den første del av bølgeformen og deretter øker raskt under den andre del av bølgeformen, og at stempelet (44) følger en bevegelse som er identisk med trykkbølgeformen under forskyvningen av stempelet mot det stasjonære strupeelement (33).

4. System Ifølge krav 3, karakterisert ved at systemet innbefatter en generator (32) for tilveiebringelse av trykkbølgeformer, hvilke bølgeformer velges på forhånd, og at en spesiell bølgeform velges som en funksjon av det signal som mottas etter gjennomgangen i borefluidet.