NO20200040A1 - Fremgangsmåte for autonom styring av et kjemikalieinjeksjonssystem for olje- og gass-brønner - Google Patents

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

1. Oppfinnelsens område

[0001] Denne oppfinnelse vedrører kjemikalie-injeksjonssystemer for olje- og gassbrønner. Mer bestemt vedrører den autonome styringssystemer for injisering av kjemiske behandlingsmidler i væskefase i undersjøiske brønner.

2. Beskrivelse av den beslektede teknikk

Et mangfold av kjemiske midler injiseres i hydrokarbonbrønner for styring av korrosjon, hydrater, asfaltener, parafiner, avleiringer og lignende. Disse kjemiske midler er typisk i væskefase og pumpes inn i brønnen i en valgt mengde ved bruk av et kjemikalie-injeksjonssystem. For undersjøiske brønner kan kjemikalietilførselen og -pumpen være lokalisert på en produksjonsplattform, og er i alminnelighet forbundet til brønnhodet via en navlestrengledning. Hvis dosering av det kjemiske middel utføres kun ved overflaten, vil en lekkasje i navlestrengen eller dens konnektorer gi en feilaktig indikasjon på mengden av kjemisk middel som injiseres i brønnen. Dessuten kan det være at hver undersjøiske brønn krever sitt eget injeksjonssystem på plattformen og den sammenkoplende navlestrengledning.

[0001] Visse doseringssystemer ifølge kjent teknikk anvender en variabel utløpsåpning – en justerbar utløpsåpning som tillater fjernstyring av strømmen ved hver brønn. Andre doseringssystemer ifølge kjent teknikk er avhengige av trykkompensert strømningsregulering – en justerbar trykkregulator og en fast utløpsåpning kan opprettholde en konstant strømning ved hver brønn.

[0002] Doseringsstrømning over et stort område er ofte nødvendig over brønnens levetid. Utløpsåpning-dosering er begrenset i sitt område, og utsatt for filmdannelse, tilstopping og forskjellige fluidegenskaper.

[0003] Partikkelmateriale-kontaminasjon i lange kjemikalieinjeksjonsledninger er uunngåelig og kan stoppe til de små utløpsåpninger som er nødvendig for dosering og regulering. Filtre på ledningene er en ekstra komplikasjon som påvirker systemets pålitelighet, øker kapitalkostnader og krever periodisk ettersyn (hvilket øker driftskostnadene).

[0004] US-patent nr.6,973,936 tilhørende Richard R. Watson offentliggjør et fluidinjeksjonssystem som regulerer distribusjonen av fluid fra en tilførselsledning til en valgt brønn i en justerbar mengde. Et fristempel deler opp en sylinder i første og andre kamre. En multiposisjonsventil omfatter en første posisjon for å la fluid passere fra tilførselsledningen inn i det første kammer for å fortrenge fluid fra det annet kammer tilbake gjennom ventilen til et injeksjonspunkt, og en annen posisjon for å la fluid passere fra tilførselsledningen til det annet kammer for å fortrenge fluid fra det første kammer tilbake gjennom ventilen til injeksjonspunktet. Et styringssystem i kommunikasjon med posisjonssensoren tar tiden på forflytningen av fristempelet til valgte posisjoner, og justerer selektivt en variabel ventilåpning for å justere strømningsmengde, veksle mellom de første og andre posisjoner, og periodisk øke ventilåpningen for rensking.

KORT SAMMENFATNING AV OPPFINNELSEN

[0007] Den foreliggende oppfinnelse kan gis konkret form i et styringsprogram for et fortrengningsfluid-doseringssystem som måler den tid som er påkrevet for vandring av et fristempel i en sylinder med kjent volum for å bestemme en gjennomsnittlig strømningsmengde under et fullt slag av stempelet. Systemet kan også måle og registrere innløps- eller utløpstrykk eller differansetrykket mellom fluidinnløpet og -utløpet. Kontrolleren kan ta strømningsmengdekommandoer fra en undersjøisk klient-styringsboks og innstille strømningsmengden ved delvis åpning av en fireveis-ventil hver gang ventilen reverseres.

[0008] Styringsprogrammet posisjonerer nøyaktig en fireveis-ventil som kan funksjonere som en justerbar doserings-utløpsåpning som respons på den målte gjennomsnittlige strømningsmengde og/eller forandringer i innløps- og utløpstrykkene for å oppnå den ønskede strømningsmengde. Ved fullføringen av hvert slag, blir fireveis-ventilen omposisjonert for å reversere strømmen av fluid gjennom doseringssylinderen.

[0009] Systemet kan revidere lagrede ventilposisjons-innstillinger for både foroverrettede og bakoverrettede slag basert på den målte tid som er påkrevet for et fullt slag ved den inneværende lagrede ventilposisjon. På denne måte kompenserer systemet gjentagende for eventuelle forandringer i fluidegenskaper og fluidtrykk. Visse utførelser av oppfinnelsen omfatter i tillegg en valgfri renskesyklus som progressivt åpner ventilen trinnvis, og som kan, hvis det er nødvendig, åpne ventilen fullt i begge fluidstrømningsretninger for å renske en blokkering av ventilutløpsåpningen. Det har blitt funnet at en ventilkonstruksjon av skjærtetningstypen eller slusetypen er den design som er best egnet for pålitelig operasjon når høytrykksfluider er kontaminert med hardt partikkelmateriale. Standard driftsprosedyre for rensking av en blokkert ventil av denne type er å bevege den til de fullt åpnede og fullt lukkede posisjoner. Dette gjør at akkumulert partikkelmateriale kan passere og tette elementer for å feie bort eller skjære over eventuelle gjenværende blokkeringer. Ved å anvende denne ventilkonstruksjon for to-posisjons fireveisreguleringsventilen og ved styring av ventilaktuatoren som respons på sylinderens slagtid, er resultatet nøyaktig strømningsregulering med utmerket kontaminasjonsbestandighet.

[0010] Aktueringen av to-posisjons fireveis-reguleringsventilen kan utføres med en konvensjonell trinnmotor som driver en kuleskrue for å konvertere rotasjon til lineær bevegelse. Det har blitt funnet at denne kombinasjon gir svært høy nøyaktighet for den lineære posisjon av ventilen. Denne nøyaktighet gjør at ventilen kan være delvis åpnet, hvilket frembringer en presisjons-utløpsåpning hver gang ventilen forflyttes.

[0011] Når ventilen forflyttes for å slippe inn strømning til først én og deretter den andre side av sylinderstempelet, reguleres strømningsmengde av presisjonsutløpsåpningen som er frembrakt av den delvis åpnede ventil. I visse utførelser er en holdetid etter at sylinderstempelet har fullført sin vandring og strømmen har stoppet inkludert. Dette tilveiebringer nøyaktig regulering av det volum av kjemikalie som injiseres i olje- eller gassbrønn-produksjonsstrømmen i en viss tidsperiode.

[0012] Et system i henhold til oppfinnelsen kan designes til å innpasse alle inneværende kjemikalier som brukes for styring av korrosjon, hydrater, asfaltener, parafiner og avleiringer i hydrokarbonbrønner. Forandringer i viskositet eller tetthet av fluidet, krever ikke etterkalibrering av fortrengnings-doseringssystemet. Verifikasjonsdata kan sendes til den undersjøiske klient-styringsboks.

[0013] Bruk av en flerhet av systemer i henhold til oppfinnelsen kan tilveiebringe sikring av strøm av behandlingskjemikalier for flere undersjøiske brønner fra en enkelt navlestreng.

KORT BESKRIVELSE AV DE FLERE RISS PÅ TEGNINGEN(E)

[0014] Fig.1 er et skjematisk diagram over en kjemikalie-injeksjonsanordning ifølge kjent teknikk som kan styres med fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse.

[0015] Fig.2 er et tverrsnittsriss av den reguleringsventil som brukes i anordningen på fig.1 i en første posisjon.

[0016] Fig.3 er tverrsnittsriss av den reguleringsventil som vises på fig.2 i en annen posisjon.

[0017] Fig.4 er et forstørret tverrsnittsriss av et parti av den ventil som vises på fig.2.

[0018] Fig.5 er et skjematisk diagram av et kjemikalie-injeksjonssystem som er modifisert til bruk ved den foreliggende oppfinnelse.

[0019] Fig.6 er et flytskjema som viser trinnene i en fremgangsmåte i henhold til en utførelse av oppfinnelsen.

[0020] Fig.7 er en graf over den strøm som produseres av en bestemt representativ reguleringsventil som en funksjon av det antall av trinn som gjøres av en trinnmotor som driver ventilens aktuator.

[0021] Fig.8 er et flytskjema som viser trinnene i en fremgangsmåte i henhold til en annen utførelse av oppfinnelsen.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

[0022] Fig.1 illustrerer skjematisk detaljer ved et doseringslegeme 12 som er sammenkoplet med et styringssystem 14 og en multiposisjonsventil 16 som drives av en aktuator 45 i et kjemikalie-injeksjonssystem 10. Doseringslegemet 12 har en boring 20 for å inneholde kjemikaliefluid som skal leveres til en brønn. Et aksialt bevegelig fristempel 22 i en boring 20 deler opp doseringslegemet 12 i første og andre kamre 24, 26 med variabelt volum. Fristempelet 22 tetter mot doseringslegemet 12 med et tetningsorgan så som en O-ring 25. Doseringslegemet 12 og fristempelet 22 omfatter konvensjonelt en sylinder- og stempelsammenstilling, som vist. Første og andre inngangs/utgangsporter 28, 30 er tilveiebrakt for å slippe fluid inn i og ut av første og andre kamre 24, 26. Tilførselsledning 33 tilfører kjemikaliefluider ved høyt trykk gjennom multiposisjonsventilen 16 til doseringslegemet 12.

[0023] I en første ventilposisjon som er vist på fig.1, illustrert konseptuelt ved innretting av parallelle ledningssegmenter 18 med ledninger 31 og 33, passerer fluid fra tilførselsledningen 33, gjennom multiposisjonsventilen 16, ledningen 29 og inngangs/utgangsport 30, og inn i kammeret 26. Når fluid slippes inn i kammeret 26, presser fluidtrykk fristempelet 22 mot enden 34 av doseringslegemet 12, hvilket reduserer volumet i det første kammer 24 og fortrenger fluidet ut gjennom inngangs/utgangsporten 28. Fluid som går ut porten 28 passerer gjennom ledningen 27, tilbake gjennom ventilen 16 og ut gjennom ledningen 31 til et injeksjonspunkt i brønnen.

[0024] I en annen posisjon (ikke vist), hvilket kan visualiseres konseptuelt ved å forskyve de kryssede strømningsledninger 15 i ventilen 16 til venstre for innretting med ledningene 31 og 33, passerer fluid fra tilførselsledningen 33, gjennom multiposisjonsventilen 16, ledningen 27, inngangs/utgangsporten 28 og inn i kammeret 24. Når fluid slippes inn i kammeret 24, presser fluidtrykk fristempelet 26 mot enden 36 av doseringslegemet 12, hvilket reduserer volumet i kammeret 26 og fortrenger fluidet ut gjennom innløps/utløpsporten 30. Fluid som går ut porten 30 passerer gjennom ledningen 29, tilbake gjennom ventilen 16, og ut gjennom ledningen 31 til det samme injeksjonspunkt i brønnen. Således, ved gjentatte ganger å reversere retningen til multifunksjonsventilen 16 etter at fristempelet 22 har nådd en valgt posisjon, kan fluidet kontinuerlig føres fra ledningen 33 til ledningen 31 til injeksjonspunktet i brønnen.

[0025] Posisjonssensorer 38 og 40 er inkludert for sansing av posisjonen til fristempelet 22. Posisjonssensorene 38, 40 er i kommunikasjon med styringssystemet 14, som representert med stiplede linjer 39, 41, ved hjelp av konvensjonelle midler, så som med ledning, optisk fiber eller trådløst signal. Når fristempelet 22 når valgte posisjoner, signaliserer posisjonssensorene 38, 40 til styringssystemet 14, som respons på dette kan styringssystemet 14 selektivt reversere posisjonen til multiposisjonsventilen 16 for å reversere retningen av vandring av fristempelet 22.

[0026] Fordi de valgte posisjoner er kjent, er relativ forflytning av fristempelet 22 også kjent, korresponderende til en kjent volumetrisk fortrengning av fluid fra doseringslegemet 12, beregnet som produktet av forflytning av fristempelet 22 og tverrsnittsarealet av boringen 20. Styringssystemet 14 inkluderer en intern tidtaker for å ta tiden på forflytning av fristempelet 22 mellom de valgte posisjoner, slik dette signaliseres av posisjonssensorene 38, 40. En volumetrisk strømningsmengde er derfor også kjent, hvilken kan beregnes som den volumetriske fortrengning dividert på fortrengningstiden. Multiposisjonsventilen 16 inkluderer en variabel ventilåpning som drøftes nedenfor i forbindelse med figurene 2-4, for regulering av strømning mellom tilførselsledningen 33 og doseringslegemet 12.

Styringssystemet 14 justerer selektivt den variable ventilåpning som respons på fortrengningstid for fristempelet 22. Hvis fortrengningstiden er for lang, hvilket viser en strømningsmengde som er mindre enn en ønsket strømningsmengde, kan styringssystemet 14 øke den variable ventilåpning for å øke strømningsmengden. Omvendt, hvis fortrengningstiden er for kort, hvilket viser en strømningsmengde som er større enn den ønskede strømningsmengde, kan styringssystemet 14 selektivt redusere ventilåpningen for å redusere strømningsmengden. Strømningsmengden for fluidleveringen til brønnen blir dermed regulert.

[0027] Som vist på fig.1, er de valgte posisjoner av fristempelet 22 fortrinnsvis de posisjoner til fristempelet 22 som har nådd den ene av endene 34, 36 av doseringslegemet 12. De valgte posisjoner av fristempelet 22 kan alternativt være hvor som helst langs området for vandring av fristempelet 22, og behøver ikke å være ved endene 34, 36 av doseringslegemet 12. I typiske utførelser, som illustrert, er posisjonssensorene 38, 40 ved hovedsakelig den samme aksiale posisjon som de valgte posisjoner. Konvensjonelle posisjonssensorer, så som fjærbelastede pinner eller magnetiske eller infrarøde nærhetssensorer, kan brukes. I andre utførelser er det tenkelig at posisjonssensorene ikke behøver å være aksialt innrettet med de valgte posisjoner. En posisjonssensor kan videre omfatte en valgfri trykktransduser 49 eller en strømningstransduser 42. Disse typer av posisjonssensorer kan sanse posisjon implisitt, sånn som når det er et brått trykkfall i ledningen 31 når fristempelet når endene 34, 36 av doseringslegemet 12. Portventiler, så som de som kan omfatte tetningsorganene 43, 44 på fristempelet 22, kan valgfritt være inkludert for tetting av inngangs/ utgangsportene 38, 40 når fristempelet når endene 34, 36. Dette kan mer dramatisk redusere trykket i ledningen 31, og derved tilveiebringe en mer tydelig indikasjon på at fristempelet 22 har nådd enden av sin vandring. En slik indikasjon kan tilveiebringe en reserve for å bekrefte eller erstatte posisjonssensorene 38 og 40.

[0028] Uttrykkene " første posisjon" og "annen posisjon" i forbindelse med ventil 16 refererer generelt til den resulterende strømningsretning, istedenfor en fast posisjon av komponenter i ventilen 16, fordi det generelt er en grad av justerbarhet i hver av de to posisjoner, så som for å justere strømningsmengden. Fig.2 viser et detaljert riss av den foretrukne utførelse av multiposisjonsventilen 16 i den første ventilposisjon, delvis åpen for å begrense strøm gjennom ventilen. Fig.3 viser et detaljert riss av en foretrukket ventil 16 i den annen ventilposisjon, også delvis åpen. Fig.4 viser i nærmere detalj et parti av sluseventilen 16 i den første ventilposisjon på fig.2.

[0029] Med henvisning særlig til fig.2, skjemaet på fig.1 og det nærmere riss på fig. 4, er multiposisjonsventilen generelt angitt med 16, med et legeme 17. En sluse 50 er posisjonert inne i et hulrom 52 i legemet 17. Slusen 50 har en boring 54, som i den viste posisjon er i kommunikasjon med en inngangsport 32 og med en første strømningspassasje 56 som strekker seg gjennom legemet 17 til en første utvekslingsport 57. I denne posisjon strømmer således kjemikalie-fluid som tilføres av tilførselsledningen 33, omtalt ovenfor, inn i legemet 17 gjennom inngangsporten 32, gjennom sluseboringen 54 og gjennom den første strømningspassasje 56, og ut gjennom den første utvekslingsport 57 til ledningen 29. Som beskrevet ovenfor, passerer fluid gjennom ledningen 29, inn i doseringslegemet 12, og annet fluid passerer fra doseringslegemet 12 gjennom ledningen 27, tilbake til ventilen 16. Strømmen passerer deretter tilbake inn i legemet 17 gjennom den annen utvekslingsport 59, inn i en annen strømningspassasje 58, passerer rundt slusen 50, inn i en utgangspassasje 53 og ut gjennom en utgangsport 55. Strøm ut gjennom utgangsporten 55 passerer til slutt gjennom ledningen 31 til injeksjonspunktet i brønnen, som beskrevet ovenfor.

[0030] På fig.3, er sluseboringen 54 isteden posisjonert i kommunikasjon med inngangsporten 32 og med den annen strømningspassasje 58. Strøm fra ledningen 33 passerer således gjennom inngangsporten 32 inn i inngangspassasjen 51, gjennom sluseboringen 54 og gjennom den annen strømningspassasje 58, ut gjennom den annen utvekslingsport 59 til ledningen 27. Som beskrevet ovenfor passerer fluid gjennom ledningen 27 inn i doseringslegemet 12, og annet fluid passerer fra doseringslegemet 12 gjennom ledningen 29 tilbake til ventilen 16. Strøm passerer deretter tilbake inn i legemet 17 gjennom den første utvekslingsport 57, inn i en første strømmingspassasje 56, inn i utgangspassasjen 53 og ut gjennom utgangsporten 55. Strøm ut gjennom utgangsporten 55 passerer til slutt gjennom ledningen 31 til injeksjonspunktet i brønnen. Således, som beskrevet i forbindelse med fig.1, kan strøm mellom ventilen 16 og doseringslegemet 12 reverseres ved å bevege ventilen mellom de første og andre ventilposisjoner som vises respektivt på fig.2 og fig.3, men i hvert tilfelle er den netto strømning fra ledning 33 til ledningen 31 til injeksjonspunktet i brønnen.

[0031] I den utførelse som er vist på figurene 2-4, driver trinnmotoren 45 en kuleskrue 48 til aksialt å bevege slusen 50 inne i hulrommet 52, hvilket justerer størrelsen av det strømningsløp som er avgrenset mellom sluseboringen 54 og den første strømningspassasje 56, hvilket justerer strømmen til en ønsket strømningsmengde. Slusen 50 kan beveges aksialt for å veksle mellom den første ventilposisjon på fig.2 og den annen ventilposisjon på fig.3. De som har fagkunnskap innen teknikken vil innse alternative midler for å bevege slusen, annet enn trinnmotoren 45.

[0032] Hall-effektinnretninger som brukes i bevegelses-sansingsbrytere og bevegelses-grensebrytere kan gi forbedret pålitelighet i ekstreme miljøer. Ettersom det ikke er noen bevegelige deler involvert inne i sensoren eller magnet, blir forventet levetid typisk forbedret sammenlignet med tradisjonelle elektromekaniske brytere. I tillegg kan sensoren og magneten være innkapslet i et passende beskyttende materiale. Hall-effektinnretninger er, når de er passende innpakket, immune mot støv, smuss, slam og vann. Disse karakteristika gjør Hall-effektinnretninger særlig foretrukket i et system i henhold til den foreliggende oppfinnelse for sansing av stempelposisjon sammenlignet med alternativ midler, så som optisk og elektromekanisk sansing.

[0033] Regulering av strøm til noen få gallon pr. dag ved trykkfall på flere hundre pund pr. kvadrattomme krever en svært liten utløpsåpning på kun noen få tusendeler av en tomme. Den ventil som brukes i en særlig foretrukket utførelse av oppfinnelsen er en skjærtetningsventil av slusetypen med et reduksjonsforhold på 2880:1. Denne ventil tilveiebringer den påkrevede lille utløpsåpning og reverserer strøm for hver fortrengningsfylling, slik at tilstopping unngås.

[0034] Visse systemer ifølge den kjente teknikk har brukt filtre for å unngå tilstopping med partikkelmateriale i små strømningsregulerings-utløpsåpninger, men disse filtre må typisk etterses under vann, hvilket er svært kostbart. Innretninger ifølge kjent teknikk har også brukt kapillar-utløpsåpninger som er større i areal for en gitt restriksjon mot strømmen, og disse kan lages til å justere sin boringsdiameter ved hjelp av en konisk motsvarende skruegjenge, slik at strømningsmengder kan forandres og det kan brukes en midlertidig større åpning for å tilveiebringe utrensking av kontaminasjon. Med hver av disse løsninger, er dosering over et bredt område av strømningsmengder en separat nødvendig oppgave som krever kostbar strømningsinstrumentering; strømning kan ikke måles nøyaktig ved hjelp av trykktapet over en utløpsåpning med ukjent restriksjon, hvilket er situasjonen ved delvis tilstopping med partikkelmateriale. Den foreliggende oppfinnelse kan inkludere midler for å frembringe den lille doserings-utløpsåpning med en fireveis ventil av slusetypen som konstant forflyttes for å unngå tilstopping, og som også kan åpnes fullstendig for å tillate partikkelmateriale å passere. I tillegg tilveiebringer systemet svært nøyaktig dosering av strømmen som er immun mot delvis tilstopping eller forandring i fluidegenskaper eller filmdannelse i utløpsåpningen – som alle er betingelser som tilstede og kan overvinne konvensjonelle målere som er avhengige av et trykkfall over en utløpsåpning.

[0035] Trykktransduserne 49 og 49' kan forsyne kontrolleren med mer informasjon for å påvise graden av ventilåpning, men de kan ikke måle eller verifisere strømningsmengden. Måling og verifikasjon av strømningsmengden tilveiebringes ved hjelp av tidtakingskretsene og posisjonssensorene på fortrengningssylinderen.

[0036] Hvis fortrengningssylinderen unnlater å slå i løpet av den forventede tid, en tilstand som indikerer tilstopping, kan kontrolleren drive fireveis-ventilen til den fullt åpne posisjon for å tillate rester å passere.

[0037] En utløpsåpning kan ikke brukes som en pålitelig, undersjøisk strømningsmåleinnretning, fordi den utsettes for tilstopping og filmdannelse (belegging) av de kjemikalier som passerer gjennom den. Kjemikaliene som doseres i et kjemikalieinjeksjonssystem for en hydrokarbonbrønn kan ha filmdannelses-karakteristika som en ønsket egenskap. Vanlige strømningsmåleinnretninger ifølge kjent teknikk bruker en måling av trykktap over en utløpsåpning for å angi strøm. Hvis et billig trykkfalldoseringssystem ikke kan brukes, er de konvensjonelle alternativer kostbare. I tillegg, ingen annen doseringsinnretning, så som av turbintypen, ultralydtypen, virveltypen eller den massetermiske type kan måle seg med verdiområdet for en fortrengningssylinder i henhold til den foreliggende oppfinnelse; de er alle begrenset til et totalt verdiområde på 100:1 til 200:1. Dette betyr at de nøyaktig kan måle 0,0038 m<3>/dag (1 gallon pr. dag (GPD)) opptil ca.0,7571 m<3>/dag (200 GPD). Et system i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan måle 0,038 m<3>/dag (1 GPD) opptil over 11,356 m<3>/dag (3000 GPD). Videre er mange brønnbehandlingskjemikalier ikke-newtonske fluider – dvs. at deres viskositet forandres med trykk på en ikke-lineær måte, en karakteristikk som gjør nøyaktig strømningsmåling mer utfordrende for mesteparten av måleteknologien innen kjent teknikk, men som ikke har noen effekt på et system som anvender en fortrengningssylinder.

[0038] Det henvises nå til fig.6, hvor en særlig foretrukket utførelse av oppfinnelsen offentliggjøres i form av et flytskjema som representerer visse trinn i en fremgangsmåte for styring av en ventil i et kjemikalieinjeksjonssystem. Kjemikalieinjeksjonssystemet kan omfatte en prosessor og fremgangsmåten kan implementeres som instruksjoner for prosessoren som kan lagres i et lagringsmedium.

[0039] Som vist på fig.6A, kan prosessen begynne med manuell innmating 100 med en operatør som mater inn den ønskede strømningsmengde for kjemikaliet som skal injiseres. Strømningsmengden kan ha dimensjonene enhet volum pr. enhet tid. Strømningsmengdene for kjemikalieinjeksjonssystemer som brukes i forbindelse med olje- og gassbrønner innenfor den innenlandske energiindustri uttrykkes ofte i gallon pr. dag (GPD). I visse utførelser kan innmating av den ønskede strømningsmengde utføres av en operatør som befinner seg på en offshore produksjonsplattform, og kommandoen kan sendes til kontrolleren på eller nær det undersjøiske brønnhode via en navlestrengkabel. Kommandoen kan også overføres via et telemetrisystem fra en fasilitet på land eller en annen enhet offshore.

[0040] I en særlig foretrukket utførelse inkluderer systeminitialisering å drive ventilaktuatoren til en mekanisk grense ved å kommandere en trinnmotor som driver aktuatoren til å gå et antall trinn i en retning som overstiger det antall av trinn som tidligere er fastlagt og korresponderer til full vandring av aktuatoren. Én eller flere reverseringer av aktuatoren fulgt av forsøk på "foroverrettet" vandring utover den bakoverrettede vandring kan brukes til å sørge for at aktuatoren står hardt mot den mekaniske grense. Således, selv om den initiale posisjon av ventilen kan være ukjent ved oppstart av systemet, kan initialiseringsrutinen brukes til å bevege ventilen til en kjent posisjon. I blokk 105 kan systemet bestemme initiale ventilinnstillinger (antall trinn) for både forover-ventilposisjoner og bakoverventilposisjoner fra den ønskede strømningsmengde som er matet inn ved 100, en lagret strømningskurve 115 og posisjonsdata 120 for ventilens lille åpning – dvs. antallet av trinn fra den posisjon hvor ventilen er stengt til det punkt hvor ventilens utløpsåpning begynner å åpne i en viss retning. I en særlig foretrukket utførelse inkluderer initialisering å bevege ventilaktuatoren fra posisjonen for den mekaniske grense til en stengt "senter"-posisjon som er definert til å være midtpunktet mellom posisjonen med den lille "forover"-åpning av ventilen og posisjonen med den lille "bakover"-åpning av ventilen. Som eksempel, ved bruk av strømningskurven på fig. 7, hvis den ønskede strømningsmengde er 0,15 m<3>/dag (40 GPD) og posisjonen for den lille forover-åpning av ventilen er 33 trinn fra den stengte "senter"-posisjon, så vil den initiale forover-innstilling av ventilen være 171 trinn fra senter (138 33). Det har blitt funnet at posisjonen for den lille åpning av ventilen er ventilavhengig og kan variere fra ventil til ventil og/eller forandres etter vedlikehold av ventilen eller ventilaktuatoren. De initiale forover-innstillinger og bakoverinnstillinger av ventilen kan lastes inn i registre som er utpekt for denne funksjon.

[0041] Strømningskurvedata 115 kan være i form av en digitalisert strømningskurve, så som kurven som er vist på fig.7. I en bestemt foretrukket utførelse blir strømningsdata tabulert for hvert trinn av en trinnmotor-aktuert ventil. I andre utførelser kan strømningskurvedataene være i form av en matematisk representasjon – eksempelvis stigningstall og skjæringsverdier for en i hovedsak lineær strømningskurve. I tilfelle av utførelser som benytter digitaliserte kurver, kan systemet omfatte midler for interpolering mellom datapunkter ved bruk av konvensjonelle kurvetilpasningsteknikker.

[0042] I visse utførelser (ikke vist), kan de initiale systeminnmatinger inkludere velgingen av en bestemt strømningskurve som kan tilknyttes et bestemt kjemikalie eller en kjemikalieblanding som skal injiseres eller med en viss egenskap for det fluid som skal injiseres – f.eks. egenvekten til fluidet, viskositeten til fluidet, konsentrasjonen av én eller flere aktive ingredienser i et løsemiddel, eller lignende. I enda andre utførelser kan den initiale innmating inkludere en korreksjonsfaktor som systemet kan bruke til å modifisere en tidligere lagret strømningskurve for generelt formål til bruk sammen med et spesifikt kjemikalie eller en kjemikalieegenskap – dvs. at den lagrede strømningskurve kan være for fortynnede vandige løsninger og en levert korreksjonsfaktor tillater systemet å tilpasse kurven til et fluid som har vesentlig forskjellige reologiske egenskaper. Det vil imidlertid forstås at et system i henhold til den foreliggende oppfinnelse automatisk vil kompensere for fluider som har forskjellige egenskaper, og at skreddersying av strømningskurven til et spesifikt fluid tilveiebringer en fordel kun i de initiale innstillinger av ventilens posisjon og de første få beregninger av posisjonene av ventilinnstillingen.

[0043] Ved oppstart av systemet kan posisjonen til fristempelet 22 inne i boringen 20 være ukjent. Ved initialisering kan systemet følgelig konfigurere ventilen til å drive stempelet til en kjent lokalisering. I beslutningsrombe 125 kan systemet først teste med hensyn på aktuering av forover-grensebryteren (som viser at stempelet 22 er ved enden av foroverrettet slagvandring). Hvis aktuering av bryteren detekteres, kan prosessen gå videre i blokk 130 til den bakoverrettede slagsekvens. Hvis forover-grensebryteren ikke er aktuert (forgrening N i rombe 125) går systemet videre i blokk 140 med en foroverrettet slagsekvens (se fig.6B).

[0044] Etter initialisering av systemet kan den normale strømningsprosess med veksling mellom foroverrettede og bakoverrettede slag begynne. En representativ foroverrettet slagsekvens er illustrert i flytskjemaet på fig.6B og en korresponderende bakoverrettet slagsekvens er vist på fig.6C.

[0045] Det vises nå til fig.6B, hvor den foroverrettede slagsekvens begynner i blokk 200 med den inneværende ventilinnstilling for det foroverrettede slag (som kan være i trinn fra aktuatorgrensen, den "stengte" senterposisjon, eller fra den mest nylige ventilposisjon) som er blitt lastet fra registeret 202. I blokk 204, blir reguleringsventilen drevet av trinnmotoren til den mest inneværende foroverrettede ventilinnstilling, og en tidtaker startes (blokk 205). I denne tilstand doserer systemet nå fluid gjennom reguleringsventilen 16 fra tilførselsledningen 33 til kammeret 26 via ledningen 29. Når fluid pumpes inn i kammeret 26, beveger stempelet 22 seg (til venstre på fig.5) og fortrenger fluid i kammeret 24, hvilket strømmer via ledning 27 (ventil 16 og ledning 31 til injeksjonspunktet i brønnen. Fluidtrykk i injeksjonsledningen 31 kan måles av trykktransduseren 49, mens det som er i tilførselsledningen 33 måles av trykktransduseren 49'.

[0046] Programmet kan inkludere én eller flere rutiner som tester med hensyn på stempelets bevegelse. For eksempel blir en foroverrettet slagsekvens (fig.6B) vanligvis innledet fra fullføringen av en bakoverrettet slagsekvens, hvilket signaliseres ved aktuering av bakover-grensebryteren 40. Bevegelse av stempelet 22 bort fra bakover-slaggrensen bør deaktivere bakover-grensebryteren 40. Det kan testes med hensyn på denne tilstand i rombe 208. Hvis bryteren forblir aktivert (dvs. at stempelet fremdeles er innenfor aktiveringsområdet for grensebryteren) kan systemet vente et valgt tidsintervall før det foretar avhjelpende handling. I den illustrerte utførelse venter systemet (ved rombe 210) i et intervall som er lik 50% av den forventede slagtid (sylinderfortrengningsvolum dividert på valgt strømningsmengde), og hvis bakover-grensebryteren forblir aktivert, kan ventilen åpnes ytterligere 20 trinn (i blokk 212). På lignende måte kan systemet nå vente (i rombe 216) et ytterligere tidsintervall, som, i den illustrerte utførelse, er lik den forventede slagtid (nå, akkumulativt, 150% av den forventede slagtid) for at bakovergrensebryteren skal deaktivere (rombe 214). Som tidligere, hvis stempelet ikke beveger seg tilstrekkelig til å deaktivere bakover-grensebryteren, åpnes ventilen ytterligere 20 trinn (i blokk 218). I den illustrerte utførelse kan den progressive åpning av ventilen i tilfelle av ingen stempelbevegelse gjentas i romber 220 og 222 med ytterligere ventilåpning i blokk 224. Hvis bakover-grensebryteren forblir aktivert (forgrening N i rombe 226) og den kumulative tid siden ventilåpning når 350% av den forventede slagtid (forgrening Y i rombe 228), kan en spylesyklus (som beskrives mer fullstendig nedenfor) igangsettes (i blokk 230). Hvis bakovergrensebryteren imidlertid deaktiveres (forgreninger Y i romber 208, 214, 220 eller 226), går systemet videre til en foroverrettet slagsekvens, blokk 232.

[0047] Mens fluid strømmer, kan utgangene fra trykktransduserne 49 og 49' periodisk samples og et differansetrykk ( ΔP) lagres av kontrolleren 14. I en bestemt foretrukket utførelse blir et løpende gjennomsnitt ΔP lagret av kontrolleren 14 sammen med de tre mest nylige �P-verdier i en FIFO-stakk. Ytterligere filtreringsalgoritmer kan anvendes for å eliminere eller redusere påvirkningen av trykkspisser som kan påtreffes under et slag. Denne prosess kan implementeres som vist på fig.6B i blokk 232, hvilken subrutine kjøres ved et forhåndsvalgt intervall som måles i rombe 238.

[0048] I det normale forløp av hendelser, fortsetter fluidstrøm inntil stempelet 22 når enden av sitt foroverrettede slag (venstre vegg i hulrom 24 på fig.5), hvilket aktiverer grensebryteren 38, hvilken aktivering detekteres i rombe 234. Som vist på fig.6C stoppes tidtakeren i blokk 270 og den akkumulerte tid i tidtakertelleren er den totale tid det tar for stempelet 22 å bevege seg et fullt slag. Siden et fullt slag fortrenger et kjent volum av fluid (som bestemt av de fysiske dimensjoner av sylinder 12 og stempel 22), gir dette volum dividert på den akkumulerte tid den gjennomsnittlige strømningsmengde av fluid under dette bestemte foroverrettede slag. I blokk 272, blir den målte gjennomsnittlige strømningsmengde for slaget sammenlignet med den ønskede strømningsmengde som ble matet inn av operatøren i 100.

[0049] Korreksjoner (hvis noen) av ventilinnstillingen for det foroverrettede slag beregnes i blokk 274. I en særlig foretrukket utførelse blir differansen mellom den målte strømningsmengde og den ønskede strømningsmengde satt svarende til et visst antall trinn fra den strømningskurve som er lagret i 115. Korreksjonen kan tas direkte fra kurven eller beregnes av den førstederiverte av kurven. Som omtalt ovenfor, kan systemet i visse utførelser interpolere mellom datapunkter for å bestemme korreksjonen.

[0050] Som vist i blokk 276, kan korreksjonen av ventilinnstillingen videre forfines ved hjelp av en faktor som er relatert til en forandring i den gjennomsnittlige ΔP fra det forutgående foroverrettede slag. I visse utførelser kan ΔP-korreksjonsfaktoren være en funksjon (helt eller delvis) av valgte ΔP-verdier. Eksempelvis de tre mest nylige ΔP-verdier som er lagret i FIFO-stakken for den illustrerte utførelse. Særlig ved relativt langsomme strømningsmengder kan en forandring i ΔP umiddelbart før enden av slaget bedre vise den ΔP som trolig vil påtreffes under det neste foroverrettede slag.

[0051] ΔP-korreksjonen kan avledes fra empirisk bestemte verdier av strømningsmengde ved forskjellige differansetrykk. I andre utførelser kan

ΔP-korreksjonen beregnes fra en funksjon som relaterer strøm (eller trinn for ventilaktuatormotoren 45) til ΔP.

[0052] Det bør forstås at prosessen ifølge den foreliggende oppfinnelse vil funksjonere uten ΔP-data – dvs. at fraværet av eller svikt av en trykksensor 49 ikke vil gjøre systemet uvirksomt. De korreksjoner som beregnes i blokk 234 vil kompensere for forandringer i ΔP. Bruken av ΔP-informasjon (i blokk 276) setter systemet i stand til å foreta bedre prediksjoner av den ventilinnstilling som er nødvendig for å frembringe den ønskede strømningsmengde. Den iterative prosess vil imidlertid "nulle inn" på den korrekte innstilling selv uten disse data.

[0053] I blokk 278, blir den reviderte ventilinnstilling som skal brukes på det neste foroverrettede slag lagret i registeret (eller en annen lagringsinnretning) som er utpekt for dette formål, og prosessen går videre til den bakoverrettede slagfrekvens, som vist i blokk 282 (og på figurene 6B og 6E). Valgfritt, i blokk 280, kan data som vedrører den nettopp fullførte slagsekvens logges før fortsettelse til den bakoverrettede slagsekvens. Eksempler på logg-data inkluderer faktisk slagtid, tiden og antallet av ytterligere ventilåpninger (eksempelvis blokker 212, 218, 224, 240 og/eller 246) og om hvorvidt en spylesyklus (blokker 230 eller256) var påkrevet. Eventuelle andre parametere som er sanset av systemet kan også registreres på dette trinn i prosessen.

[0054] Siden den fulle vandring av fristempelet 22 forflytter et kjent volum med fluid, kan den tid som bør være påkrevet for et fullt slag av stempelet 22 ved den ønskede strømningsmengde beregnes for å frembringe en forventet slagtid. Som vist i blokk 236, kan den medgåtte slagtid sammenlignes med den forventede slagtid, og, hvis den medgåtte slagtid overstiger den forventede slagtid med en valgt margin (100% i det illustrerte eksempel), kan systemet igangsette korrektiv handling – progressiv åpning av ventilen i inkrementer på 20 trinn ved 200% av den forventede slagtid (rombe 236) og igjen ved 300% av den forventede slagtid (rombe 244). Hvis tiden overstiger 400% av den forventede slagtid (forgrening Y i rombe 254), blir en spylesyklus (blokk 256) igangsatt i den illustrerte utførelse. I hver av disse rutiner kan avlesinger av ΔP foretas og lagres (blokker 250 og 260) ved et valgt, gjentagende tidsintervall (romber 248 og 258).

[0055] Styringen av en "bakoverrettet" slagsyklus – dvs. et slag hvor reguleringsventilen er posisjonert slik at strømningsløpet 15 er aktivt og fluid strømmer inn i kammeret 24 via ledning 27 og drives ut fra kammeret 26 og inn i ledning 29 når stempelet 22 beveger seg fra venstre til høyre på fig.5 – er illustrert på fig.6D og 6E. Prosessen er analog til det som er illustrert for et "foroverrettet" slag på figurene 6B og 6C og omtalt ovenfor. Henvisningstall for korresponderende elementer på figurene 6B og 6C er forskjellige med en verdi på 100 fra de som er på figurene 6D og 6E. Den inneværende ventilinnstilling for det bakoverrettede slag kan lagres i registeret 302 og lastes inn i kontrolleren i blokk 300. Korreksjoner som er beregnet for bakover-ventilinnstillingen i blokk 374 og (valgfritt) blokk 376 kan lagres i register 305 i blokk 378 og brukes for det neste bakoverrettede slag. Ved fullføringen av et "bakoverrettet" slag, returnerer prosessen til den foroverrettede slagsekvens (i blokk 382). På denne måte gjentar systemet kontinuerlig foroverventilinnstillinger og bakover-ventilinnstillinger for å tilveiebringe den forlangte fluidstrømningsmengde.

[0056] Som vist i blokkene 230 og 256 (fig.6B) og blokkene 330 og 356 (fig.6D), kan systemet igangsette en spylesyklus i det tilfelle at den medgåtte slagtid overstiger den forventede slagtid med en valgt margin. En mulig årsak til fluidstrømningsmengde som er mindre enn forventet er rester som blokkerer eller delvis blokkerer en utløpsåpning i reguleringsventil 16. Systemet kan virke slik at det spyler rester ut fra reguleringsventilen (eller et tilknyttet fluidledningsrør). En spylesyklus i henhold til en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er illustrert i flytskjemaet på fig.6F. I denne syklus, blir reguleringsventilen første drevet til sin fullt åpne posisjon i én retning (blokk 460) og deretter til sin fullt åpne posisjon i den motsatte retning (blokk 465). Det har blitt funnet at i praksis er denne syklus nesten alltid vellykket ved spyling av blokkerende rester fra kjemikalieinjeksjonssystemet. Etter en spylesyklus kan systemet gjennomføre en initialiseringssekvens (blokk 470).

[0057] Fig.8 er et flytskjema som illustrerer en alternativ utførelse av oppfinnelsen hvor et fast, kjent volum av kjemikalie injiseres i et forhåndsbestemt tidsintervall. Denne utførelse har særlig fordel i de applikasjoner hvor regulering av det totale volum av kjemikalier som injiseres i en viss tidsperiode er viktigere enn injisering av kjemikaliet ved en konstant strømningsmengde.

[0058] Prosessen kan begynne med manuell innmating 500 med operatørens valg av en gjennomsnittlig strømningsmengde. Siden et fullt slag av stempel 22 fortrenger et kjent volum av kjemikaliet, kan systemet i blokk 510 beregne den tid som er påkrevet for å fortrenge det volum av kjemikaliet som injiseres under et fullt slag ved den valgte strømningsmengde. I blokk 520 kan systemet initialiseres som tidligere beskrevet for å posisjonere stempel 22 ved begynnelsen av et slag. Ved bruk av den lagrede strømningskurve, blir den ventilinnstilling som bør produsere den valgte strømningsmengde bestemt i blokk 530 fra den strømningskurve som er lagret i 535. I blokk 540, åpnes ventilen for å tilveiebringe en noe større utløpsåpning enn det som er påkrevet for å oppnå den valgte strømningsmengde. Den absolutte verdi av overskuddet kan være en valgt prosentvis økning i den valgte strømningsmengde (eksempelvis X 10% m<3>/dag (10% GPD)), en valgt inkrementell økning i strømningsmengde (eksempelvis X 0,019 m<3>/dag (5 GPD)) eller et forhåndsvalgt antall av ytterligere trinn av trinnmotoren som posisjonerer ventilen (eksempelvis beregnet posisjon fra strømningskurven 15 trinn).

[0059] En tidtaker kan startes i blokk 545 og systemet kan deretter teste med hensyn på stempelbevegelse (i rombe 550) ved sansing av deaktivering av den tidligere aktiverte grensebryter. Hvis stempelbevegelse ikke detekteres (forgrening N ved 550) i den illustrerte utførelse, åpnes ventilen ytterligere 20 trinn. Denne prosess kan gjentas (forgrening A i rombe 557) ved valgte tidsintervaller og, hvis ingen stempelbevegelse detekteres etter en valgt kumulativ tid (forgrening B i 557) kan en spylesyklus igangsettes i blokk 559 for å renske bort en eventuell blokkering i ventilens utløpsåpning.

[0060] Så snart stempelets bevegelse har blitt detektert (forgrening Y i 550), kan systemet vente (i 560) på at grensebryteren skal signalisere at stempelet har nådd enden av et slag og at det kjente volum for et fullt slag har blitt injisert i brønnen. Den ventilposisjon som er innstilt i 540 bør resultere i at et fullt slag blir fullført før det tidsintervall som ble beregnet i 510 har forløpt – dvs. at systemet bør trenge å vente på at en "holdetid" skal forløpe før igangsetting av et annet slag. I rombe 565 tester systemet med hensyn på slutten av det beregnede tidsintervall før aktuering av grensebryteren. Hvis sann (forgrening Y i 565), eksisterer det en feiltilstand (blokk 570) og systemet kan foreta avhjelpende handlig ved å korrigere den ventilinnstilling som ble brukt i blokk 530. Hvis grensebryteren fremdeles ikke er aktivert etter et valgt intervall (rombe 572), kan den avhjelpende handling inkludere en spylesyklus (blokk 573), som tidligere beskrevet i forbindelse med fig.6F, og/eller en oppoverrettet justering av lagringsventilens posisjon.

[0061] Imidlertid, i det normale forløp av hendelser, vil stempelet nå enden av et slag (hvilket aktuerer grensebryteren) før enden av det tidsintervall som er beregnet i 510 (forgrening Y i 560). Systemet kan lagre tiden for aktuering av grensebryteren i 575, og deretter vente (i 580) på slutten av tidsperioden i rombe 580.

[0062] Den tid stempelet bruker på å foreta et fullt slag (registrert i 575) kan brukes til å beregne og lagre en revidert ventilinnstilling i blokk 585. Denne reviderte innstilling kan deretter brukes av systemet for det neste slag i den samme retning. På denne måte forfiner systemet kontinuerlig ventilinnstillingen for å kompensere for eventuelle forandringer i parametere som kan påvirke strømningsmengde – eksempelvis tilførselstrykk, viskositet, tetthet, osv.

[0063] I blokk 590, sekvenserer systemet til en korresponderende prosess for et slag i den motsatte retning (som kan begynne i blokk 530) og systemet veksler mellom "foroverrettede" og "bakoverrettede" slag samtidig som de påkrevede ventilinnstillinger gjentas.

[0064] Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet i detalj med henvisning til visse foretrukne utførelser, finnes variasjoner og modifikasjoner innenfor oppfinnelsens omfang og idé slik dette er beskrevet og angitt i de følgende krav.

Claims (3)

N Y E P A T E N T K R A V

1. Fremgangsmåte for injisering av et kjemikalie i væskefase i en brønn, k a r a k t e r i s e r t v e d a t den omfatter:

innmating av en viss ønsket fluidstrømningsmengde;

velging av en posisjon for en variabel utløpsåpning (56, 58) basert på data som relaterer posisjonen for den variable utløpsåpningen (56, 58) til den ønskede strømningsmengde;

åpning av den variable utløpsåpningen (56, 58) til den valgte posisjonen for å utgi et kjent volum av fluid ved beveging av en fluidbarriere (22) i en fluidbeholder (12) en kjent avstand;

sansing av bevegelse av fluidbarrieren (22);

åpning av den variable utløpsåpningen (56, 58) et ytterligere omfang hvis ingen bevegelse av fluidbarrieren (22) sanses innenfor et forhåndsbestemt tidsintervall, der det forhåndsbestemte tidsintervallet er en funksjon av den ønskede strømningsmengde;

bestemmelse av tidsperiode som er påkrevet for å utgi det kjente volumet av fluid;

beregning av en gjennomsnittlig fluidstrømningsmengde under den bestemte tidsperioden;

sammenligning av den beregnede gjennomsnittlige fluidstrømningsmengde med den ønskede strømningsmengde;

justering av posisjonen av den variable utløpsåpningen (56, 58) for å minimere differansen mellom den beregnede strømningsmengden og den ønskede strømningsmengden.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvori fluidbeholderen (12) omfatter en sylinder og hvori fluidbarrieren omfatter et fristempel i sylinderen.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, hvori fluidbarrieren (22) deler fluidbeholderen i et første rom (24) og et andre rom (26), og hvori beveging av fluidbarrieren (22) omfatter pumping av fluid inn i det første rommet (24).