NO301848B1 - Anordning for separering av en blanding av fri gass og væske ved inngangen til en pumpe på bunnen av en boret brönn - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for separering av en blanding av gass og væske, hovedsakelig bestående av hydrokarboner, ved inntaket til en pumpe som er forbundet med den nedre ende av en rørstreng på bunnen av en boret brønn.

Etter opprettelsen av brønner som er boret mot reservoaret i den geolo-giske formasjon, anordnes hydrokarbonproduksjons-installasjoner med pumpe-systemer for transportering av oljen til overflaten. For å gjennomføre denne pro-sess, blir det i den borete brønn nedført en rørstreng som i sin ene ende er forbundet med en pumpe, for utvinning av hydrokarbonene.

Pumpene som anvendes kan være av forskjellige typer, såsom stempelpumper, sentrifugalpumper, hydrauliske pumper, strålepumper og positiv fortrengnings-rotasjonspumper (kommersielt benevnt "MOINEAlT-pumper).

Selv om slike pumper fungerer tilfredsstillende når det pumpete fluid hovedsakelig består av væske, kan det oppstå problemer som øker dersom en viss mengde fri gass er blandet med produksjonsfluidet. Hvis inntakstrykket av et fluid til en pumpe er lavere enn boblepunkttrykket over hvilket all gassen er oppløst i oljen, vil pumpen i realiteten innsuge fri gass som er blandet med produksjonsfluidet.

Under disse forhold vil resultatet vise en lav pumpeeffekt, dersom den målte strømningsmengde fra reservoaret jevnføres med pumpens teoretiske kapa-sitet og aksellerasjonen ved drift av pumpen, som innvirker på økingen av rotasjonshastigheten for stempelpumper.

Den kjente teknikk som f.eks. beskrevet i US patentskrifter 2 267 459,

2 969 742 og 4 664 603, FR A 2 631 379 samt GB patentskrift 983 644 har løst dette problem ved anvendelse av en gass/væske-separeringsanordning som mon-teres rundt pumpen, for i størst mulig grad å begrense tilstedeværelsen av gass i suspensjon i væsken, når pumpen er i funksjon. Pumpen innføres i underenden av en rørledning som er lukket i sin nedre del og utstyrt med inntaksåpninger i sin øvre del slik at den frie gass, i nivå med separatoråpningene, vil fjernes fra overflaten mens oljen derimot innsuges av pumpen.

En slik anordning har imidlertid en alvorlig ulempe som følge av at pumpen løper tørr, hvis væskenivået ikke når inntaksåpningene.

Den mest skadelige virkning har vist seg å bestå i en reduksjon av leve- tiden for positiv fortrengnings-pumper av MOINEAU-typen, hvor innført gass vil filtreres inn i statorens elastomermateriale og derved deformere pumpens inn-vendige, koniske drev. Ved andre pumpetyper øker slitasjen med risiko for gjen-tetting av pumpen.

Oppfinnelsens formål er å avhjelpe ovennevnte ulemper ved pumpene, grunnet tørrgang, slitasje og nedbryting. Dette oppnås ifølge oppfinnelsen med en anordning som angitt i de etterfølgende krav 1-7.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Figur 1 viser et snitt av en boret brønn med en sterkt skrånende, nedre sone. Figur 2 og 3 viser gass/væske-separeringsanordninger som er tilknyttet en pumpe ved enden av en rørstreng og utstyrt med hver sin variant av lukkerorga-net. Figur 1 viser en boret brønn 1 hvor en pumpe 3 er innført i driftstilling ved bunnen av brønnen ved hjelp av en rørstreng 2. Nær overflaten omfatter brønnen en praktisk talt vertikal sone som i nedadgående retning går over i en skråseksjon som i sin nedre del er sterkt hellende i en sone med et høyt innhold av fluid som kan bortsuges. Oppfinnelsen er særlig egnet for anvendelse ved sterkt skrånende brønner, men kan også med alle sine fordeler finne anvendelse ved vertikale brønner.

Pumpen 3 som er forbundet med enden av rørstrengen 2, innføres fra overflaten og fremføres gjennom brønnen ved tilkopling av rørseksjoner.

I rørstrengen innføres så et sett drivaksler 30 som er anbrakt ende mot ende og hvis dreiebevegelse styres av et drivhode 23 som er forbundet med en motor 24 som kan være av en type som er vanlig anvendt i pumpeinstallasjoner. Ved dreiebevegelse av akslene 30 bringes pumpeanordningen 3 i funksjon, hvorved fluidet som innstrømmer ved bunnen av brønnen, ledes oppad gjennom rør-strengen 2 og utstrømmer mot lagrings-rørledninger 27. Ventiler 25 regulerer for-delingen av det pumpete fluid ved overflaten.

Ved enden av rørstrengen 2 er pumpen 3 innført i en separeringsanordning 17 som skal bevirke at den frie gass i suspensjon i væsken vil stige til overflaten, mens væsken derimot suges mot bunnen av separeringsanordningen ved inntaket

til pumpen 3.

Det er anordnet et lukkerorgan 31 av klaffventiltype.

Separeringsanordningens konstruksjonsform fremgår tydelig av figur 2.

Underenden av rørstrengen 2 er ved bunnen av brønnen perifert forbundet med en ende av et mellom-produksjonsrør 6. Produksjonsrørets annen ende er forbundet med utgangen fra pumpeanordningen. I det viste tilfelle benyttes en pumpe av MOINEAU-type, men oppfinnelsen kan selvsagt med samme fordeler komme til anvendelse ved en stempelpumpe, en sentrifugalpumpe eller en stråle-pumpe.

MOINEAU-pumpen 3 omfatter en stator 4 med et rørformet beskyttelses-deksel av stål som dekker en elatomerseksjon eller aktiv del av statoren som på innersiden danner et konisk drev.

Et sett av aksler 30 som er anbrakt ende mot ende i rørstrengen 2, strekker seg gjennom mellom-produksjonsrøret 6 og er forbundet med en rotor 5, for å overføre til denne en rotasjonsbevegelse som styres fra overflaten. Rotoren 5 er på yttersiden forbundet med et konisk drev i tilknytning til statoren 4.

Pumpe/mellom-produksjonsrørmontasjen er innført i en inntakskanal 7 i form av et rør som er åpent i begge ender. En første ende er forlenget med en separasjonskanal 8 bestående av en rørformet foring med åpninger 9 for inntak av fluid i kanalen 7.

Separasjonskanalen 8 og inntakskanalen 7 er sammenkoplet ved hjelp av en sirkulær ring 15.

Separasjonskanalen 8 fastholdes i fiksert stilling rundt mellom-produksjons-røret ved hjelp av en forbindelsesdel 16 omfattende en sone med innergjenger for fastskruing på den øvre ende av separasjonskanalen 8.

Forbindelsesdelen 16 sammenholder også rørstrengen 2 og mellom-produksjonsrøret 6 i innbyrdes koaksial stilling, ende mot ende.

For at pumpen 3 og mellom-produksjonsrøret 6 skal holdes i aksial stilling koaksialt med inntakskanalen, er det rundt disse elementer anbrakt sentreringsanordninger 10. Disse sentreringsanordninger kan eksempelvis være av den bladtype som er vanlig anvendt under jordboring. Det kan også benyttes sentreringsanordninger av andre typer, f.eks. gummisentreringsanordninger. Disse har også den fordel at de begrenser pumpens svingebevegelse i en brønnseksjon.

Stabilisatorer 11 av den ovennevnte type er likeledes anbrakt rundt inntakskanalen 7, for at montasjen skal plasseres langs brønnaksen.

Ifølge oppfinnelsen er det ved underenden av inntakskanalen montert en avstengeranordning 31 med et element 20 som danner en lukker med en innmontert tilbakeslagsventil. Ventilen består av en kule 21 som under konstant trykkpåvirkning fra et elastisk organ, eksempelvis en skruefjær 22, stenger en fluidinnløpsåpning 23.

Eksempelet som er vist i figur 1 og 2, illustrerer anvendelsen av en ventil som er plassert stort sett langs pumpeaksen i enden av inntakskanalen. Ved denne utførelsesform er det risiko for at det, ovenfor åpningen 42, avleires sedi-ment som kan gjentette åpningen og bringe avstengeranordningen 31 ut av funksjon.

En slik risiko bortfaller ved utførelsesformen ifølge figur 3. I denne versjon omfatter anordningen én eller flere ventiler som er perifert plassert rundt side- eller sylinderveggen ved inntakskanalens underende, som må befinne seg under pumpens inntaksnivå.

Lukkersystemet 32 som er vist i figur 3, omfatter to avstengeranordninger 33 og 34 som er anbrakt under pumpen 3 og orientert i diametralt motsatte retnin-ger. Lukkeranordningene 33 og 34 befinner seg langs aksen for inntakskanalen 7.

Anvendelsen av to avstengeranordninger øker lukkesystemets driftssikker-het, da det er tilstrekkelig at én av anordningene sikrer en uavbrutt fluidtilførsel til pumpen.

Fordi disse to avstengeranordninger er identiske, er bare en enkelt beskrevet i det etterfølgende.

Avstengeranordningen 33 omfatter en lukkeranordning 35 med en konisk anleggsflate 36 som samvirker med et konisk sete 37 ved inntakskanalens nedre ende.

Lukkeranordningen 35 styres ved hjelp av en sylindrisk stamme 38 som er innført for samvirkning i en sylindrisk muffe 39 som også er fastgjort i inntakskanalen 7.

Ved hjelp av et fremførerelement 40, f.eks. en skruefjær som omgir stam-men 38, tvinges avstengeranordningen 35 mot det tilhørende sete 37.

Retningen av de koniske flater på avstengeranordningen 35 og sete 37 er slik, at avstengeranordningen forhindrer fluidtilstrømning fra innersiden av inntakskanalen 7 mot ringkanalen 41 som avgrenses mellom brønninnervegen og ytter-veggen av inntakskanalen 7.

Prinsippet for utskilling av den frie gass fra væsken er beskrevet i det etter-følgende i tilknytning til figur 2.

I brønnen strømmer gass/væske-blandingen oppad mot avstengeranordningen som fastholder kulen som derved stenger åpningen 23. Blandingsstrøm-men fortsetter i sideretning rundt inntakskanalen 7 og frem til separasjonskanalen 8. Pumpeanordningen er nedført i brønnen, slik at det dynamiske nivå for blandingen (angitt med en linje A i figur 1) befinner seg stort sett ovenfor separasjonskanalen.

Gjennom åpningene som er jevnt fordelt rundt separasjonskanalen 8, kan fluid innstrømme til inntakskanalen. Når fluidet ledes til bunnen av inntakskanalen, vil avgassing foregå i nivå med blandingsoverflaten hvorved gassen unnviker gjennom brønnen mot overflaten, og fluidet synker tilbake i inntakskanalen.

Det vil imidlertid oppstå vanskeligheter, dersom det dynamiske nivå synker under en grensestilling (vist ved A i figur 2) hvor separasjonskanalens inntaksåpninger 9 er plassert. Hvis nivået blir lavere (som vist med linjen B) vil det i realiteten ikke innstrømme fluid i inntakskanalen som derfor vil tømmes gradvis, til pumpen ikke lenger innsuger fluid og følgelig løper tørr.

I tilfelle av en synkning i det dynamiske nivå ovenfor åpningene 9 vil nivået stabiliseres i brønnen, mens pumpen derimot hurtig vil senke nivået i kanalen og opprette en nivåforskjell d. Denne nivåforskjell fremkaller en trykkdifferanse som kompenserer virkningen av fjæren mot lukkerkulen 23.

Denne trykkdifferanse utøver en kraft mot kulen som derved beveges bort fra sitt sete, slik at fluid-gassblandingen kan innstrømme direkte gjennom montasjens underende. Pumpen vil derved uavbrutt tilføres fluid. Det gjenstår bare å justere driftskanalene, eller redusere rotasjonshastigheten, slik at tilførselen fra pumpen bringer det dynamiske nivå til å stige i høyde med separasjonskanalen 8. Derved opprettes trykkbalanse mellom yttersiden og innersiden av inntakskanalen 7, hvorved kulen tilbakeføres til anlegg mot setet og stenger åpningen, hvor-etter separasjonsprosessen atter kan gjenopptas.

Trykkbalanseringen finner også sted under den første nedføring av montasjen, og når inntakskanalen 7 er tømt for fluid. I denne situasjon er pumpen fremdeles ikke i funksjon og startes først når trykkene er balansert.

Valget av skruefjær må derfor være slik at ventilen åpnes når fluidnivået i inntakskanalen 7 står halvveis mellom pumpen og separasjonskanalen (vist med linje C).

Hvis anordningen er ustyrt med et inntaks-lukkersystem av en annen versjon som vist i figur 3, er prinsippet for utskilling av fri gass fra væsken det samme som beskrevet i forbindelse med figur 2, bortsett fra at lukkersystemet vil fungere på en annen måte hvis hovedtrinn er beskrevet i det etterfølgende.

Hvis det dynamiske nivå synker under åpningene 9, stabiliseres nivået i brønnen, mens pumpen derimot forårsaker en hurtig synking av nivået i kanalen og oppretter en nivåforskjell d. Denne nivåforskjell fremkaller en trykkdifferanse som vil kompensere den virkning som utøves av fremføringselementet 40 mot avstengeranordningen 35.

På grunn av denne trykkdifferanse overføres en kraft mot avstengeranordningen 35 som derved beveges bort fra sitt sete 37, slik at fluid-gassblandingen kan innstrømme direkte gjennom montasjens nedre ende. Pumpen vil derfor uavbrutt forsynes med fluid.

Det er tilstrekkelig at en enkelt avstengeranordning er i drift, da anordningene kan fungere enkeltvis eller samtidig.

Det gjenstår bare å justere driftskanalene eller redusere rotasjonshastigheten og derved pumpetilførselen, for at det dynamiske nivå skal bringes i høyde med separasjonskanalen 8. Det opprettes derved trykkbalanse mellom yttersiden og innersiden av inntakskanalen 7, avstengeranordningen 35 tilbakeføres til anlegg mot sitt sete 37 og stenger åpningen, og separasjonsprosessen kan atter gjenopptas.

Alt som er beskrevet i det ovenstående vedrørende lukkersystemet som er vist i figur 2, har gyldighet for anordningen ifølge figur 3 hva angår balanserings-prosessen og valget av skruefjær.

I en foretrukket versjon for anvendelse ved en brønn med et avvik av 70°, som vist i figur 1, har inntakskanalen 7 en lengde L av praktisk talt 60 meter og mellomrøret 6 har en lengde av ca. 45 meter, mens pumpen med et fluidreservoar har en lengde L av 15 meter;

Separasjonskanalen 8 har en lengde av én meter.

I tilfelle av en annen brønnretning kan imidlertid inntakskanalen 7 tilpasses for opprettholdelse av en konstant trykkdifferanse av noen få bar mellom inntaks-nivået for pumpen 3 og nivået for åpningene 9 i separasjonskanalen.

Oppfinnelsen er særlig egnet for anvendelse ved meget skråttforløpende, nesten horisontale brønner. Oppfinnelsen er imidlertid like anvendelig ved vertikale brønner.

Den viste og beskrevne utførelsesform av oppfinnelsen vil selvsagt kunne endres og modifiseres innenfor oppfinnelsens ramme.

Claims (7)

1. Anordning for separering av en blanding av fri gass og væske ved inntaket til en pumpe (3) som er forbundet med underenden av en rørstreng (2) ved bunnen av en boret brønn, hvor pumpen (3) er koplet til rørstrengen (2) gjennom et mellomliggende produksjonsrør (6) og innført i en fluidinntaksanordning (7, 8) hvis nedre ende er lukket og den øvre ende omfatter fluidinnløpsåpninger (9), idet pumpen er plassert i inntaksanordningen, nær dennes nedre ende, og der inntaksanordningen (7, 8) nær sin nedre ende omfatter en anordning som danner minst én tilbakeslagsventil (21, 22),karakterisert vedat inntaksanordningen omfatter et sylindrisk rør, og at anordningen som danner minst én tilbakeslagsventil (21, 22) er anordnet på inntaksanordningens (7, 8) sylindervegg.

2. Anordning ifølge et av krav 1,karakterisert vedat inntaksanordningen omfatter en inntakskanal (7) som koaksialt omslutter mellom-produksjons-røret (6) og pumpen (3) og som er forlenget med en separasjonskanal (8) med perifert plasserte åpninger (9), som fastholdes i stilling rundt rørstrengen (2) ved hjelp av en forankringsdel (16).

3. Anordning ifølge krav 2,karakterisert vedat mellom-produk-sjonsrøret (16) og pumpen (3) fastholdes i stilling koaksialt med inntakskanalen ved hjelp av sentreringsdeler (10).

4. Anordning ifølge krav 1,karakterisert vedat anordningen som danner minst én tilbakeslagsventil, omfatter en avstengeranordning (21), eksempelvis en kule- eller trykkventil, som befinner seg under konstant trykkpåvirkning fra et elastisk element (22) og stenger en fluidinnløpsåpning (23) i inntakskanalen.

5. Anordning ifølge krav 4,karakterisert veddet elastiske element (22) utøver en kompresjonsmotstand ved et minimumstrykk tilsvarende et væske-nivå over pumpen i inntakskanalen.

6. Anordning ifølge et av kravene 1 - 5,karakterisert vedat inntakskanalen (7) og separasjonskanalen (8) fastholdes i stilling i den borete brønn ved hjelp av stabilisatorer (11).

7. Anordning ifølge et av kravene 1-6,karakterisert vedat leng-den av fluidinntaksanordningen (7, 8) er slik valgt at det tillates at det oppstår en trykkdifferanse på flere bar mellom pumpens (3) inntaksnivå og nivået for inntaksanordningens fluidinnløpsåpninger (9).