NO331633B1 - Apparat og framgangsmate for a avdekke og kvantifisere lekkasje i et ror - Google Patents

Description

APPARAT OG FRAMGANGSMÅTE FOR Å AVDEKKE OG KVANTIFISERE LEKKASJE I ET RØR

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en framgangsmåte og et apparat for å kunne avdekke og kvantifisere lekkasje i et rør. Nærmere bestemt dreier det seg om en framgangsmåte og et apparat for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid mellom et første rør som omslutter i det minste et parti av et andre rør, hvor rørene er anordnet i en brønn i grunnen. Brønnen kan for eksempel være en brønn for utvinning av petroleumsfluider fra et reservoar.

I olje- og gassindustrien er det krav til at alle olje-, gass- og injeksjonsbrønner til enhver tid har minst to uav-hengige barrierer mellom et reservoar og det omkringliggende miljø ved brønnoverflaten. Sementering av foringsrør utgjør én av disse barrierer og skal forhindre strømning av fluider bak foringsrør fra reservoaret og oppover mot brønnens over-flate .

For å ha kontroll med integriteten til brønnbarrierene, er det krav til at en vedvarende oppbygging av trykk i ringrommet til foringsrør avdekkes. En slik oppbygging er nemlig en indikasjon på svikt i én eller flere brønnbarrierer. En fagmann vil være kjent med at en svikt i en brønnbarriere vil kunne få fatale konsekvenser.

Selv om brønnbarrierene ideelt sett skal være helt tette, ak- septeres en viss grad av lekkasje. En av de standarder som setter grenser for hvor stor grad av lekkasje som tillates for olje, gass og vann er API RP 14B. Dersom lekkasjen over-stiger de grenser som er satt, må tiltak iverksettes. Brønnen har da det som i bransjen kalles et "Sustained Casing Pressu-re" og som for en fagmann vil være kjent som SCP. En vanlig framgangsmåte for å bestemme hvorvidt en brønn har SCP, er å blø av ringromstrykket gjennom en W nåleventil. Dersom det ikke er mulig å redusere trykket i ringrommet til null innen 24 timer, har brønnen per definisjon SCP.

For å kunne beslutte videre tiltak for brønnen som har SCP, må lekkasjeraten bestemmes. Den vanligste måten å gjøre dette på er ved hjelp av en såkalt trykkoppbyggingsanalyse.

En trykkoppbyggingsanalyse innbefatter som et minimum følgen-de : - innledningsvis bløs trykket i ringrommet av til null overtrykk. Dette styres ved hjelp av en avblødningsventil for ringrommet. Avblødningsventilen er typisk anordnet på overflaten. - Når trykket er blødd ned til null, må gassvolumet i ringrommet bestemmes. Dette kan bli gjort ved hjelp av en akustisk måling som avdekker på hvilket nivå grensesjiktet mellom gass og væske, det vil si væskespeilet, befinner seg. Forutsatt at brønngeometrien er kjent, kan da gassvolumet bestemmes . - Etter at trykket er redusert til null overtrykk og gassvolumet er etablert i ringrommet, kan trykkoppbyggingsanalysen fortsette. Dette gjøres ved å lukke avblødningsventilen. - For hvert intervall som lekkasjeraten skal beregnes, må det gjennomføres en kalkulasjon av gassvolumet. Den beregnede lekkasjeraten vil være en gjennomsnittlig lekkasjerate over trykkintervallet. - I tillegg til ovennevnte må karakteristiske trekk så som densitet, kompressibilitet og molekylvekt til gassen måles for å kunne utføre kalkulasjonene av gassvolum og lekkasjerate ved standard/normale betingelser..

Ovennevnte framgangsmåte, og utstyr benyttet ved utøvelse av framgangsmåten, er inngående forklart i publikasjonen SPE 117961 med tittel "Design and Fabrication of a Low Rate Mete-ring Skid to Measure Internal Leak Rates of Pressurized Annu-li for Determining Well Integrity Status" utgitt av Society of Petroleum Engineers i 2008.

Det er flere ulemper relatert til ovennevnte, kjente teknikk.

Som det fremgår av ovennevnte, vil en test for å undersøke hvorvidt en brønn har SCP, kunne ha en varighet på inntil 24 timer. En etterfølgende trykkoppbyggingsanalyse vil kunne ta så mye som ytterligere 4 8 timer å gjennomføre. For å kunne beregne lekkasjerater fra trykkoppbyggingsanalysen må i tillegg følgende parametre være kjent: gassvolumet som er tilstede i ringrommet når målingene starter, egenskaper til gassen, brønngeometrien og gassvolumet som er tilstede i ringrommet når målingene slutter.

Således er framgangsmåten ifølge kjent teknikk svært tidkre-vende i tillegg til at det kreves relativt omfattende kalkulasjoner. Det er dessuten mange potensielle feilkilder som for eksempel måling av gassens temperaturprofil, kompressibi-litetsfaktor eller såkalt Z-faktor, måling av gassens volum og til en viss grad også gassens trykk.

En vesentlig ulempe relatert til framgangsmåten ifølge kjent teknikk er at resultatet av målingene kun angir en gjennomsnittlig lekkasjerate over trykkintervallet. Oppfinnelsen har til formål å avhjelpe eller å redusere i det minste én av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås ved trekk som er angitt i nedenstående be-skrivelse og i etterfølgende patentkrav.

Ifølge et første aspekt er det tilveiebrakt en framgangsmåte for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid mellom et første rør som omslutter i det minste et parti av et andre rør, hvor rørene er anordnet i en brønn i en grunn, hvor framgangsmåten innbefatter: - å sette et målearrangement som innbefatter en strømningsmå-ler og en trykkmåler i fluidkommunikasjon med et ringrom avgrenset av det første rør og det andre rør; - å tilveiebringe ved hjelp av en trykkreguleringsanordning et konstant trykkdifferensial over et lekkasjested; og - å lede fluid i gassfase gjennom målearrangementet, idet ringrommet benyttes som et separasjonskammer for gass og væske .

Dersom det ifølge målekriterier fastsatt i standard forutset-tes konstant temperatur i systemet og gjennom målearrangementet, må temperaturen måles. Temperaturen måles fortrinnsvis i målearrangementet.

Ved å tilveiebringe et konstant differensialtrykk over lekkasjestedet, vil lekkasjeraten være konstant. Trykket oppstrøms lekkasjested vil normalt være konstant. Trykk nedstrøms lek-kas jested reguleres gjennom målesystemet.

Ved å benytte ringrommet som et separasjonskammer vil behovet for en egen separasjonsbeholder elimineres. Målearrangementet kan således gjøres betydelig mindre og dermed mer mobil samtidig som det åpnes for mulighet til i tillegg å kunne måle væskelekkasje i tillegg til gasslekkasje.

For å kunne detektere en eventuell væskelekkasje mellom det første rør og det andre rør, anbringes en akustisk måleinnretning i tilknytning til ringrommet. Dette for å kunne av dekke en eventuell endring i væskespeilet i ringrommet. En slik endring i væskespeilet betyr at innbyrdes forhold mellom gassvolum og væskevolum i ringrommet endres.

For å kunne bestemme i det minste noen av karakteristikaene til gassen som strømmer gjennom strømningsmåleren, er det en fordel om en gassanalysator anbringes i tilknytning til målearrangementet. Gassanalysatoren vil analysere hvilke gasser som lekkasjegassen i ringrommet utgjøres av og i sanntid kunne tilveiebringe informasjon om lekkasjegassens sammensetning. Således kan lekkasjegassens PVT (trykk, volum og temperatur) -egenskaper tilveiebringes.

Det er en fordel om i det minste deler av målearrangementet anbringes i avstand fra brønnen, for eksempel om bord på en rigg eller et produksjonsfartøy. Dette sikrer enkel tilkomst til utstyret som inngår i målearrangementet, noe som er en fordel i forbindelse med vedlikehold samtidig som utstyret ikke behøver å konstrueres for å tåle de ekstreme miljøer som vil kunne eksistere i en brønn.

I et andre aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt et apparat for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid mellom et første rør som er omsluttet av i det minste et parti av et andre rør, hvor rørene er anordnet i en brønn i grunnen, hvor apparatet innbefatter: - et separasjonskammer for å kunne separere fluidet i en gassfase og en væskefase; - et målearrangement som står i fluidkommunikasjon med sepa-ras jonskammeret, hvor målearrangementet innbefatter en strøm-ningsmåler for gass, en trykkmåler og en trykkreguleringsinn-retning, idet separasjonskammeret utgjøres av et ringrom avgrenset av rørene.

I en foretrukket utførelse er målearrangementet ytterligere forsynt med en gassanalysator som er innrettet til å kunne påvise i det minste noen av gassens karakteristika i sanntid mens den strømmer gjennom målearrangementet. En fagmann vil være kjent med at gassen kan utgjøres av en blanding av flere enkeltgasser.

Det er en fordel om målearrangementet i tillegg forsynes med en akustisk måleinnretning som vil kunne detektere nivået til et væskespeil i separasjonskammeret, noe som gir grunnlag for å kunne avdekke og kvantifisere en eventuell væskelekkasje mellom rørene.

Det er en fordel om målearrangementet ytterligere forsynes med en tetthetsmåler for å kunne avdekke tofase strømning i målearrangementet.

I det etterfølgende beskrives et eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på medfølgende tegning-er, hvor: Fig. 1 viser en prinsipiell skisse av et parti av en brønn som er forsynt med et produksjonsrør som er omsluttet av tre foringsrør, hvor et ringrom er fluidmessig tilkoplet et målearrangement ifølge oppfinnelsen; Fig. 2 viser det samme som fig. 1, men hvor målearrangementet i tillegg er innbefatter måleutstyr som kan tilveiebringe informasjon om volumet av gass i ringrommet og gassens sammensetning; og Fig. 3 viser det samme som fig 2, men hvor væske strømmer

mellom to ringrom.

En fagmann vil forstå at figurene kun er prinsippskisser og at innbyrdes størrelsesforhold mellom enkelte av komponentene

som er vist, er fortegnet.

På figurene angir henvisningstallet 1 et parti av en brønn som utgjøres av et sentralt produksjonsrør 3 som er omsluttet av et første foringsrør 5. Det første foringsrør 5 er omsluttet av et andre foringsrør 7 som igjen er omsluttet av et tredje foringsrør 9. Foringsrørene 5, 7, 9 er avhengt i ulik høyde i forhold til produksjonsrøret 3 på i og for seg kjent vis.

Mellom produksjonsrøret 3 og det første foringsrøret 5 er det avgrenset et ringrom som for en fagmann vil være kjent som ringrom A, eller "A-ringrommet".

På tilsvarende vis er det mellom det første foringsrøret 5 og det andre foringsrøret 7 avgrenset et såkalt "B-ringrom" og mellom det andre foringsrøret 7 og det tredje foringsrøret 9 er det avgrenset et såkalt "C-ringrom".

I et nedre parti av A-ringrommet er det anbrakt en brønnbar-riere i form av et settbart pakningselement 11.

Et parti av B- og C-ringrommet vil typisk være forsynt med et permanent tetningsmiddel som utgjøres for eksempel av betong (ikke vist) som er injisert i ringrommene.

Ovennevnte oppbygging av en brønn og formålene med barrierene i ringrommene A, B og C vil være velkjent for en fagmann på området og vil derfor ikke bli mer inngående forklart i dette dokument.

I den viste utførelse er B-ringrommet fluidmessig tilkoplet et målearrangement 2 0 ved hjelp av en ledning 22. Ledningen 22 omfatter et rør/en slange som er innrettet til å kunne overføre gass fra B-ringrommet og til målearrangementet 20, og en signalkabel for overføring av signaler fra en første trykkføler 25 anordnet i tilknytning til A-ringrommet og en andre trykkføler 25' anordnet i tilknytning til B-ringrommet.

I fig. 1 innbefatter målearrangementet 2 0 en strømningsmåler 24, en trykkmåler 26 og en temperaturmåler 27. Trykkmåleren 26 er tilknyttet trykkfølerne 25, 25' og er innrettet til å kunne måle differensialtrykket mellom A-ringrommet og B-ringrommet. I tillegg er det i et nedstrøms parti av målearrangementet 20 anordnet en trykkreguleringsventil 29.

Figuren viser et hull 32 som er tildannet i et øvre parti av det første foringsrøret 5. Hullet 32 er uønsket og medfører at fluid strømmer fra A-ringrommet og til B-ringrommet på grunn av trykkforskjell mellom disse. Et væskespeil LL til en væske FL i B-ringrommet danner et skille mellom væsken FL og en gass FG.

En andel av den gass FG som strømmer fra A-ringrommet og til B-ringrommet vil kunne kondensere i B-ringrommet. Kondense-ringen avhenger av trykk og temperaturforhold mellom A- og B-ringrommet og av fluidets egenskaper, de såkalte PVT-egenskaper. B-ringrommet fungerer således som et separasjonskammer for gass og væske slik at kun gass FG ledes videre gjennom målearrangementet 20. Dermed er det ikke behov for en egen separasjonstank ved overflaten slik tilfellet er ved hittil kjente målearrangementer som benytter separasjonskammer.

Ved hjelp av trykkreguleringsventilen 2 9 kan trykkforskjellen mellom A-ringrommet og B-ringrommet holdes konstant. Det fo-rutsettes da at trykket oppstrøms lekkasjested er konstant. Dermed vil lekkasjeraten (volum/tidsenhet) av fluid gjennom hullet 32 være konstant. I fig. 1 er fluidet en gass FG. Ved å tillate en tilsvarende strømning ut av B-ringrommet og gjennom strømningsmåleren 24, kan lekkasjeraten måles direkte i sanntid og med betydelig bedre pålitelighet og nøyaktighet enn hva som kan oppnås ved hjelp av kalkulasjoner ifølge den kjente og ovenfor omtalte trykkoppbyggingsanalysen. Lekkasjeraten kan dermed måles dynamisk.

Dersom det gjennomføres målinger ved to ulike trykkdifferensialer mellom A-ringrommet og B-ringrommet og ved såkalt kri-tisk strømning eller -flow gjennom hullet 32, kan lekkasjeraten ved for eksempel standard betingelser 1 atm / 60 °F i henhold til kriterier fremsatt i anerkjente standarder, ekst-rapoleres. En slik anerkjent standard er API RP 14B. Nevnte trykkdifferensialer styres som nevnt ovenfor ved hjelp av trykkreguleringsventilen 29.

Et annet viktig formål med trykkreguleringsventilen 2 9 er å sikre enfasestrømning gjennom målearrangementet 20 slik at det unngås at gass kondenserer i målearrangementet 20. For å unngå kondensering som følge av temperaturfall, kan oppvarmet linje mellom rør og målearrangement benyttes. For å avdekke tofase strømning i målearrangementet 20, kan dette være forsynt med en ikke vist tetthetsmåler. Dersom tofase strømning skulle oppstå, vil tetthetsmåleren ikke lenger gi stabile lesninger. For å bringe strømningen gjennom målearrangementet 20 tilbake i enfase, benyttes oppvarmet linje mellom rør og målearrangement.

Det er imidlertid fordelaktig om gassens egenskaper er kjent. Ved hjelp av kun én måling vil det da være mulig å finne gasslekkasjeraten ved standard/normal betingelser i henhold til kriterier fremsatt i anerkjente standarder. Dette gjøres ved å legge gasskomposisjonen inn i en simulator som beregner gassens oppførsel ved forskjellige trykk- og temperaturbe-tingelser (en såkalt PVT-simulator). I en slik simulator kan ekvivalent volum, og dermed strømningsrate, beregnes ved standard/normal betingelser. Siden den volumetriske strøm- ningsraten er konstant under kritiske strømningsforhold, vil beregnet strømningsrate ved omgivelses- eller standard betingelser være ekvivalent med lekkasjeraten.

Ved å ha kjennskap til egenskapene til gassen som lekker inn i ringrommet, vil blant annet gassens bestanddeler være kjent. Dette kan være nyttig i flere sammenhenger, blant annet for å avgjøre om gassen inneholder bestanddeler som kan representere en helserisiko og om gassen innholder korrosive bestanddeler. Det å kunne anslå lekkasjens opprinnelsessted er også nyttig informasjon som tilveiebringes i forbindelse med innhenting av informasjon om gassens egenskaper. Ved å sammenlikne gassens egenskaper med egenskapene til reservoar-gass eller med eventuell gass som benyttes i forbindelse med såkalt gassløft, kan det anslås hvor gasslekkasjen er.

I fig. 2 er målearrangementet 2 0 ytterligere forsynt med en gasskromatograf 28 som er innrettet til å kunne foreta en kromatografisk analyse av gassen FG mens den strømmer gjennom målearrangementet 20. En fagmann vil være kjent med at gass-kromatografi i tillegg til gassens sammensetning blant annet kan frembringe informasjon om gassens (eller gassenes) tett-het, kompressibilitet, molekylvekt, varmeverdi (heat value) og akustiske egenskaper.

Målearrangementet 20 innbefatter i fig. 2 i tillegg et akustisk måleinstrument 30. Det akustiske måleinstrument 30 er tilknyttet en akustisk kilde 31 som er vist anordnet i et øvre endeparti av B-ringrommet. Den akustiske kilde 31 er tilknyttet det akustiske måleinstrumentet 30 ved hjelp av en ledning 22'. For enkelthetsskyld vil den akustiske kilde 31 og det akustiske måleinstrument 3 0 i det etterfølgende bli omtalt som det akustiske måleinstrument eller "ekkometer" 30.

Formålet med det akustiske måleinstrument 30 er å kunne til veiebringe informasjon om endringer i nivået til væskespeilet LL i B-ringrommet. Dette kan benyttes for å avdekke endringer i innbyrdes forhold mellom gass FG og væske FL i B-ringrommet og dermed også en eventuell væskelekkasjerate gjennom hullet 32 i det første foringsrøret 5. En slik væskelekkasje er vist i fig. 3.

I fig. 3 er et hull 32 i det første foringsrør 5 tildannet under et væskespeil LL. Væske FL strømmer gjennom hullet 32 fra A-ringrommet og til B-ringrommet på grunn av trykkforskjell mellom disse. Trykkforskjellen vil også kunne resulte-re i at noe av væsken FL går over i gassfase FG i B-ringrommet.

Ved hjelp av trykkreguleringsventilen 29 kan trykkdifferansen mellom A-ringrommet og B-ringrommet holdes konstant og gasslekkasjeraten kan måles som beskrevet ovenfor. I tillegg kan væskelekkasjeraten måles samtidig ved hjelp av det akustiske instrument 3 0 som er innrettet til å kunne måle avstanden ned til væskespeilet LL. Når så diameteren på foringsrørene 5, 7 som avgrenser B-ringrommet et kjent, kan innstrømmingsvolumet beregnes.

Selv om det ikke framgår av figurene skal det forstås at må-leanordningen 2 0 kan være anordnet fjernt fra brønnen, for eksempel om bord på et produksjonsfartøy (ikke vist). Dette kan og være aktuelt i forbindelse med at målinger foretas på havbunnsinnstallasjoner.

Ut fra ovennevnte vil det forstås at den foreliggende oppfinnelse innehar svært fordelaktige trekk sammenlignet med kjente apparater og framgangsmåter for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid mellom et første rør som

omslutter i det minste et parti av et andre rør. I og med at lekkasjeraten kan måles direkte, kan målingene gjennomføres

betydelig raskere og med betydelig bedre pålitelighet og nøy-aktighet enn hva som kan oppnås ved hjelp av den kjente og ovenfor omtalte trykkoppbyggingsanalysen. Det er ikke behov for å blø av ringromstrykket til null, noe som resulterer i mindre belastninger på rør og omgivelser, eller å stenge ned produksjonen mens målingene pågår. Det er heller ikke behov for en egen separasjonsbeholder siden ringrommet mellom to rør benyttes som separasjonskammer. Målearrangementet vil dermed kunne gjøres lite og lett håndterlig, noe som har stor betydning for eksempel om bord på en rigg hvor plassmangel

vil kunne være prekær. Ved bruk av et akustisk måleinstrument vil væskelekkasjeraten kunne bestemmes i tillegg til gasslekkasjeraten, noe som ikke er mulig med utstyr arrangert ifølge kjent teknikk.

Claims (11)

1. Framgangsmåte for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid mellom et første rør (5) og et andre rør (7), hvor det første røret (5) er omsluttet i det minste av et parti av det andre røret (7), hvor rørene (5, 7) er anordnet i en brønn (1) i en grunn,karakterisert vedat framgangsmåten innbefatter: - å sette et målearrangement (2 0) som innbefatter en strømningsmåler (24) og en trykkmåler (26) i fluidkommunikasjon med et ringrom (A; B) som omslutter et lekkasjested (32) i det første rør (5), idet trykkmåleren (26) er tilkoplet trykkfølere (25, 25') innrettet til å måle trykkdifferanse mellom ringrommene (A, B); - å tilveiebringe ved hjelp av en trykkreguleringsventil (29) anordnet nedstrøms målearrangementet (2 0) en konstant trykkdifferanse mellom ringrommene (A, B) som omslutter lekkasjestedet (32) ; og - å lede fluid i gassfase fra det til målearrangementet (20) tilkoplede ringrommet (A; B) gjennom målearrangementet (20), idet nevnte ringrom (A; B) benyttes som et separasjonskammer for gass (FG) og væske (FL).

2. Framgangsmåte i henhold til krav 1, hvor målearrangementet (20) ytterligere forsynes med en temperaturmåler (27).

3. Framgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, hvor framgangsmåten ytterligere innbefatter å bestemme eventuell endring av volumet med gass (FG) i det til målearrangementet (20) tilkoplede ringrom (A; B) ved hjelp av en akustisk måleinnretning (30, 31) slik at en væs-kelekkas je mellom det første rør (5) og det andre rør (7) samtidig vil kunne bestemmes.

4. Framgangsmåte i henhold til krav 1, 2 eller 3, hvor framgangsmåten ytterligere innbefatter å anbringe i eller i tilknytning til målearrangementet (20) en gassanalysator (28) innrettet til å kunne bestemme i det minste noen av gassens (FG) karakteristika.

5. Framgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, hvor framgangsmåten ytterligere innbefatter å forsyne målearrangementet (20) med en tetthetsmåler som er innrettet til å kunne avdekke tofase strømning i målearrangementet (20).

6. Framgangsmåte i henhold til krav 1, hvor målearrangementet (20) anbringes i avstand fra brønnen.

7. Apparat for å undersøke og kvantifisere lekkasjerate av et fluid (FG, FL) mellom et første rør (5) og et andre rør (7), hvor det første røret (5) er omsluttet i det minste av et parti av det andre røret (7) hvor rørene (5, 7) er anordnet i en brønn (1) i grunnen,karakterisert vedat apparatet innbefatter: - et separasjonskammer (A; B) for å kunne separere fluidet i en gassfase (FG) og en væskefase (FL); - et målearrangement (20) som står i fluidkommunikasjon med separasjonskammeret (A; B), hvor målearrangementet (20) innbefatter en strømningsmåler (24) for gass, en trykkmåler (26) som er tilkoplet trykkfølere (25, 25') innrettet til å måle trykkdifferanse mellom hver sin side av et lekkasjested (32) , og en trykkre-guleringsvent il (29) anordnet nedstrøms målearrangementet (20), idet separasjonskammeret (A; B) utgjøres av et ringrom (A; B) som grenser mot lekkasjestedet (32) i røret (5).

8. Apparat i henhold til krav 7, hvor målearrangementet (20) ytterligere er forsynt med en temperaturmåler (27) .

9. Apparat i henhold til krav 7 eller 8, hvor målearrangementet (2 0) ytterligere er forsynt med en gassanalysator (28) som er innrettet til å kunne påvise i det minste noen av gassens (FG) karakteristika.

10. Apparat i henhold til krav 7, hvor apparatet er forsynt med en akustisk måleinnretning (3 0, 31) som er innrettet til å kunne detektere nivået til et væskespeil (LL) i separasjonskammeret (A; B).

11. Apparat i henhold til et hvilket som helst av kravene 7-10, hvor målearrangementet (20) ytterligere er forsynt med en tetthetsmåler for å kunne avdekke tofase strømning i målearrangementet (20).