NO340367B1

NO340367B1 - Strømningsstyringsventil for injeksjonssystemer

Info

Publication number: NO340367B1
Application number: NO20062592A
Authority: NO
Inventors: Donald W Ross; Yves Loretz
Original assignee: Schlumberger Technology Bv
Priority date: 2005-07-18
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2017-04-10
Also published as: GB2428438B; US20070012454A1; US7640990B2; GB2428438A; GB0610461D0; NO20062592L

Description

BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN

Oppfinnelsesområdet

Implementeringer av forskjellige teknologier beskrevet deri vedrører generelt strømningstyringsventiler for injeksjonssystemer.

Beskrivelse av beslektet teknikk

Generelt innebærer injeksjonsoperasjoner pumping av fluid inn i en brønn. Injeksjon kan brukes i et antall anvendelser for å støtte produksjonen av hydrokarboner, for eksempel for trykkopprettholdelse, for erstatning av hulromsandel, for fluidbortskaffing og lignende. Under injeksjonsoperasjoner kan overflatefluid pumpes inn i en brønn under meget høye trykk.

Når pumpingen stanses fjernes det stabiliserende nedovertrykk. Den nedoverrettede bevegelsesenergi av fluidet genererer trykkbølger som beveger seg nedover gjennom kompletteringsstrengen og inn i formasjonen. Disse trykkbølger kan kastes tilbake gjennom formasjonen og kan reflekteres tilbake av kompletteringsstrengen, borehullringrommet, og selve formasjonen. Trykkbølgene kan fortsette å svinge inntil bølgen er fullstendig dempet. Dette fenomen kan være kjent som hammereffekten.

Hammereffekten kan bevirke skade på reservoaret og komponentene i kompletteringsstrengen. Den primære årsak til skade behøver ikke nødvendigvis være selve trykkbølgene, mens snarere fluidet som strømmer inn og ut av formasjonen, som et resultat av trykkbølgene. Mulig reservoarskade kan inkludere et sammenfalt hull, skadede perforasjoner, tilstoppet filter, økt formasjonsskade og destabilisert sand eller leirskifter, som til slutt kan føre til en minskning i injektivitet. Hvis injektivitet helt eller delvis går tapt kan sveipeffektiviteten og injektiviteten av brønnen settes i fare, noe som i sin tur kan innvirke på det endelige utbytte av injiseringsoperasjonen.

US 3087551A beskriver en anordning for å injisere fluid inn i en underjordisk formasjon. Anordningen eller verktøyet omfatter en åpen rørformet boring innrettet for å festes til og danne den nedre ende av en rørstreng i en foret brønn. Det rørformede elementet er utformet for å tilveiebringe en indre seteflate inntil den nedre enden av boringen og den indre seteflaten er innrettet til å motta et rørformet hus som kan hentes opp igjen og er anbrakt på seteflaten i det rørformede elementet. Huset bærer en anordning for å forsegle mellom den ytre veggen av huset og den indre veggen av det rørformede elementet. Huset er forsynt med et åpningselement, slik som en fjærpåvirket ventil, som er innrettet til å bli åpnet ved et forutbestemt trykk i nedad rettet strømning av fluid gjennom det rørformede elementet og huset, åpningselementet kan stenges mot oppadgående strømning av fluid gjennom det rørformede huset og det rørformede elementet slik at det rørformede huset kan trekkes opp fra det rørformede elementet ved oppadgående strømning derigjennom.

OPPSUMMERING AV OPPFINNELSEN

Beskrevet heri er implementasjoner av forskjellige teknologier for en strømningsstyringsventil for bruk inne i et borehull. I en implementasjon kan strømningsstyringsventilen inkludere en husdel, et kammer anbrakt inne i husdelen og en innløpsport anbrakt ved en første ende av kammeret. Innløpsporten kan være konfigurert til å tillate at fluid kommer inn i kammeret. Strømningsstyrings-ventilen kan videre inkludere en utløpsport anbrakt ved den andre ende av kammeret. Den andre ende kan være motsatt den første ende og utløpsporten kan være konfigurert for å tillate at fluid strømmer ut av kammeret. Strømningsstyringsventilen kan videre inkludere en tilbakeslagsventil-sammenstilling anbrakt mellom innløpsporten og utløpsporten. Tilbakeslagsventilen kan være konfigurert til å la fluid strømme fra innløpsporten til utløpsporten og hindre at fluid strømmer fra utløpsporten til innløpsporten.

Beskrevet heri er også implementasjoner for forskjellige teknologier for en kompletteringsstreng for bruk inne i et borehull. I en implementasjon kan kompletteringsstrengen inkludere et produksjonsrør og én eller flere strømningsstyringsventiler anbrakt på en sidedel av produksjonsrøret. Hver strømningsstyringsventil kan inkludere en innløpsport for å tilveiebringe en strømningsbane mellom en innsidedel av produksjonsrøret og strømningsstyringsventilen, en utløpsport for å tilveiebringe en strømningsbane mellom strømningsstyringsventilen og en utsidedel av produksjonsrøret og en tilbakeslagsventilsammenstilling anbrakt mellom innløpsporten og utløpsporten. Tilbakeslagsventilsammenstillingen kan være konfigurert til å tillate at fluid strømmer fra innsidedelen av produksjonsrøret til utsidedelen av produksjonsrøret gjennom innløpsporten, tilbakeslagsventil-sammenstillingen og utløpsporten. Tilbakeslagsventil-sammenstillingen kan være konfigurert til å hindre at fluid strømmer fra utsidedelen av produksjonsrøret til innsidedelen av produksjonsrøret gjennom utløpsporten, tilbakeslagsventilsammenstillingen og innløpsporten.

Beskrevet heri er også implementasjoner av forskjellige teknikker for å injisere fluid til en undergrunnsformasjon gjennom en kompletterings-streng med én eller flere strømningsstyringsventiler anbrakt derpå. I en implementasjon kan kompletteringsstrengen være utplassert inne i borehullet, slik at én eller flere strømningsstyringsventiler er posisjonert nær én eller flere undergrunnsformasjoner. Hver strømningsstyringsventil kan inkludere en tilbakeslagsventil-sammenstilling konfigurert til å tillate at fluid strømmer fra kompletterings-strengen til én av undergrunnsformasjonene og hindrer fluid i å strømme fra én av undergrunnsformasjonene tilbake i kompletterings-strengen. Fluid fra overflaten kan så pumpes inn i kompletteringsstrengen.

Oppfinnelsesgjenstanden er ikke begrenset til implementasjoner som avhjelper noen eller alle av de anførte mangler. Videre er avsnittet om oppsummering av oppfinnelsen anført for å innføre en seleksjon av konsepter i en forenklet form, som er beskrevet videre i den detaljerte del av beskrivelsen. Avsnittet om oppsummering av oppfinnelsen er ikke ment å identifisere nøkkeltrekk elle re-essensielle trekk ved oppfinnelsesgjenstanden, og er heller ikke ment å skulle anvendes for å begrense omfanget av oppfinnelsen.

KORT BESKRIVELSE AV TEGNINGENE

Implementasjoner av forskjellige teknologier skal i det følgende beskrives med henvisning til de vedføyde tegninger. Det skal imidlertid forstås at de vedføyde tegninger bare illustrerer de forskjellige implementasjoner beskrevet heri og er ikke ment å begrense rammen for de forskjellige teknologier beskrevet heri. Fig. 1 illustrerer hammereffekten som kan forekomme med et typisk injeksjonssystem. Fig. 2 illustrerer et skjematisk diagram av et injeksjonssystem i samsvar med implementasjoner av forskjellige teknologier beskrevet heri. Fig. 3A illustrerer et skjematisk diagram av en side tverrsnittstegning av en eksempelvis strømningsstyringsventil i samsvar med implementasjoner av forskjellige teknologier beskrevet heri, og Fig. 3B illustrerer et skjematisk diagram av en tverrsnittstegning av strømningsstyringsventilen illustrert i fig. 3A.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Som anvendt her kan betegnelsene "opp" og "ned"; "øvre" og "nedre"; "oppover" og "nedover"; "under" og "over"; og andre lignende betegnelser som angir relative posisjoner over eller under et gitt punkt eller element anvendes i forbindelse med noen implementasjoner av forskjellige teknologier beskrevet heri. Når de anvendes for utstyr og metoder for anvendelse i avviksbrønner eller horisontale brønner, eller når de anvendes for utstyr og metoder som når de arrangeres i en brønn er i en avviksorientering eller horisontalt orientering, kan imidlertid slike betegnelser referere til angivelser av venstre til høyre, høyre til venstre, eller andre forhold som måtte passe.

Fig. 1 illustrerer et skjematisk diagram av et typisk injeksjonssystem 100, som kan inkludere et overflatelagringssystem 110 i kommunikasjon med en høytrykkspumpe 112, som kan være i kommunikasjon med et brønnhode 114. Injeksjonssystemet 100 kan videre inkludere en kompletteringsstreng 130, anbrakt inne i et borehull 120. Som tidligere nevnt kan injeksjonssystemet 100 anvendes for trykkopprettholdelse eller erstatning av tomromsandel. Borehullet 120 kan være foret med etforingsrør 122. I noen implementasjoner kan imidlertid borehullet 120 etterlates åpent. Under en injeksjonsprosess kan fluid fra overflatelagringssystemet 100 pumpes ved hjelp av høytrykkspumpen 112 gjennom brønnhodet 114 inn i kompletteringsstrengen 130. Eksempler på det pumpede fluid kan inkludere vann, inerte eller reaktive gasser, damp, avfallsprodukter eller kombinasjoner derav. Det pumpede fluid kan strømme nedover gjennom kompletteringsstrengen 130 inn i formasjonen 150 gjennom et sett av perforasjoner 152. Slike perforasjoner dannes typisk ved avfyring av perforerende formede ladninger gjennom foringsrøret 122 ved bruk av en perforeringsanordning. Injeksjonssystemet 100 kan videre inkludere et sett av pakninger 175 som kan anvendes for å isolere en fluid- eller trykkbølge som måtte komme ut av formasjonen 150.

Så snart pumpingen stanses kan bevegelsesmomentet av fluidet generere trykkbølger som initialt forplanter seg nedover gjennom kompletterings-strengen 130, som nedoverrettede bølger 140. Trykkbølgene kan fortsette inn i formasjonen 150 som formasjonsbølger 144. Ved denne prosess kan noe av trykkbølgene reflekteres ved forskjellige grenseflater, som for eksempel enden av kompletteringsstrengen 130, hvor foringsrøret 122 kan etablere grensesnitt med formasjonen 150 og bunnen av borehullet 120. Refleksjonen av trykkbølgene kan skape en hammereffekt i kompletteringsstrengen 130 og borehullringrommet 170, d.v.s. at trykkbølgene i sin tur kan reflekteres ved brønnhodet 114 og kastes tilbake i kompletterings-strengen 130 og i formasjonen 150. Denne hammereffekt kan fortsette å reflekteres frem og tilbake i en sinusbevegelse inntil effekten er dempet. Gjentatte svingninger av trykkbølgene som går frem og tilbake ved formasjonsgrensesnittet kan bevirke forskjellige typer av borehullsskade, som for eksempel et sammenfalt hull, skadede perforasjoner, tilstoppede filter eller formasjonsoverflateskade.

Fig. 2 illustrerer et skjematisk diagram av et injeksjonssystem 200 i samsvar med implementasjoner av forskjellige teknologier beskrevet heri. Injeksjonssystemet 200 kan inkludere en høytrykkspumpe 212, som kan være i kommunikasjon med et brønnhode 214. Injeksjonssystemet 200 kan videre inkludere en kompletterings-streng 230 anbrakt inne i et borehull 220, som kan være foret med et foringsrør 222. Under injeksjon kan fluid fra overflatelagringssystemet 210 pumpes av høytrykkspumpen 212 gjennom brønnhodet 214 inn i kompletterings-strengen 230. Det pumpede fluid kan strømme nedover gjennom kompletterings-strengen 230 inn i formasjonen 250 gjennom et sett av perforasjoner 252. Injeksjonssystemet 100 kan videre inkludere et sett av pakninger 275 som kan anvendes for å isolere den mulige fluidbølge eller trykkbølge inne i ringrommet mellom kompletterings-strengen 230 og foringsrøret 222. Etter som de ovennevnte komponenter av injeksjonssystemet 200 er hovedsakelig tilsvarende eller de samme som komponentene i injeksjonssystemet 100, kan detaljer vedrørende de samme eller lignende komponenter hentes i de foregående avsnitt med henvisning til fig. 1.

I en implementasjon kan injeksjons-systemet 200 inkludere en strømningsstyringsventil 260 anbrakt nær en injeksjonssone på kompletteringsstrengen 230. Strømningsstyrings-ventilen 260 kan være konfigurert til å hindre at fluid fra formasjonen 250 og ringrommet 270 strømmer tilbake inn i kompletterings-strengen 230 gjennom strømnings-styringsventilen 260. Etter at pumpingen av overflatefluidet er stanset kan bevegelsesmomentet av fluidet fremdeles generere trykkbølger som initialt forplanter seg nedover gjennom kompletterings-strengen 230 som nedoverrettede bølger 240. Trykkbølgene kan fremdeles fortsette inn i formasjonen 250, som formasjonsbølger 244. Tilbakestrømningen av fluid fra formasjonen 250 kan imidlertid forhindres av strømnings-styringsventilen 260 på nytt å komme inn i kompletterings-strengen 230. Selv om strømnings-styringsventilen 260 eventuelt ikke hindrer trykksvingninger i kompletteringsstrengen 230 i å utvikles kan den signifikant redusere at trykkbølgene går frem og tilbake ved formasjonsgrensesnittet, slik at potensiell skade på formasjonen 250 minimeres. Selv om injeksjonssystemet 200 er beskrevet heri med henvisning til en strømningsstyringsventil skal det forstås at i noen implementasjoner kan flere strømnings-styringsventiler anvendes for å behandle flere sonekompletteringer, som det skal beskrives i de etterfølgende avsnitt.

Fig. 3A illustrerer et skjematisk diagram av en tverrsnitts-tegning av en eksempelvis strømnings-styringsventil 300 i samsvar med implementasjoner av forskjellige teknologier beskrevet heri. Strømnings-styringsventilen 300 kan inkludere en tilbakeslagsventil-sammenstilling 310 og en strupersammenstilling 340 anbrakt inne i en husdel 320, som radielt kan strekke seg utenfor diameteren av kompletterings-strengen 330. Husdelen 320 kan inkludere en innløpsport 360 og en utløpsport 390. Innløpsporten 360 kan være konfigurert til å muliggjøre at fluid strømmer fra innsiden av kompletterings-strengen 330 inn i strømnings-styringsventilen 300. Utløpsporten 390 kan være konfigurert til å muliggjøre at fluid strømmer fra innsiden av strømnings-styringsventilen 300 eller kammeret 370 til ringrommet 380 og formasjonen 350.

Tilbakeslags-ventilsammenstillingen 310 kan inkludere et kulesete 312, en kule 314 og en fjær 316, som kan være konfigurert til å utøve en forut bestemt kraft mot kulen 314. I en lukket posisjon er den forut bestemte kraft som utøves av fjæren 316 tilstrekkelig til å presse kulen 314 mot kulesetet 312. Som sådan er tilbakeslagsventil-sammenstillingen 310 et normalt lukket system, slik at når ikke noe trykk utøves mot systemet ligger kulen 314 an mot kulesetet 312 og avstenger fluidpassasjen gjennom husdelen 320. Den forut bestemte kraft som utøves av fjæren 316 kan varieres alt etter kravene til en spesifikk kompletterings-løsning.

Strupersammenstillingen 340 kan inkludere en struper 342 bevegelig festet inne i husdelen 320 ved eller nær utløpsporten 390. Struperen 342 kan være konfigurert til delvis eller fullstendig å dekke utløpsporten 390. På denne måte kan strupersammenstillingen anvendes for å styre strømningen av fluid inn i og ut av strømnings-styringsventilen 300. Et skjematisk diagram av en tverrsnittstegning av strømningsstyringsventilen 300 er vist i fig. 3B.

I operasjon, når fluid pumpes fra overflaten inn i kompletterings-strengen 330, kan en andel av det pumpede fluid avledes inn i strømnings-styringsventilen 300 gjennom innløpsporten 360. I en implementasjon kan det trykk som genereres av fluidet mot kulen 314 overvinne den forut bestemte kraft som utøves av fjæren 316 mot kulen 314, slik at kulen 314 kan fjernes fra kulesetet 312, slik at det skapes en strømningsbane 315 for fluidet til å gå inn i kammeret 370 og slippe ut gjennom utløpsporten 390. Etter å ha kommet ut av utløpsporten 390 kan fluidet fortsette å strømme inn i formasjonen 350. Når fluidet strømmer tilbake fra formasjonen 350 mot strømningsstyrings-ventilen 300 kan imidlertid det trykk som genereres av fluidet og fjæren 316 presser kulen 314 mot kulesetet 312 for å lukke strømningsbanen 315 som tidligere hadde blitt åpnet. På denne måte kan tilbakeslagsventil-sammenstillingen 310 konfigureres til å hindre at fluid fra formasjonen 350 på nytt kommer inn i kompletteringsstrengen 330 gjennom strømningsstyringsventilen 300. Etter som den mengde fluid som på nytt kommer inn i kompletterings-strengen 330 faktisk kan elimineres kan effektene av trykkbølgene som genereres av fluidet som kastes tilbake gjennom kompletteringsstrengen 330 minimeres. I en implementasjon kan størrelsen av kulen 340 velges til å være stor nok til å stenge åpningen som dannes av formen av kulesetet 312, men likevel lite nok til å tillate at fluid kan passere omkring kulen 314 inn i kammeret 370. Selv om strømnings-styringsventilen 300 er beskrevet heri med en fjær 316, skal det forstås at i noen implementasjoner kan strømningsbanen 315 åpnes eller lukkes ved bruk av andre anordninger, som for eksempel ved å la en kule 314 bevege seg bare etter utøvet fluidtrykk enten fra kompletteringsstrengen 330 eller formasjonen 350. Selv om tilbakeslagsventilen er beskrevet heri ved bruk av et kulesete, en kule og en fjær, skal det forstås at i noen implementasjoner kan andre typer av tilbakeslagsventiler, som for eksempel tallerkenventiler, kjegleventiler eller andre geometrier egnet for å danne en tilbakestrømnings-tilbakeslagsventil anvendes.

Selv om strømningsstyrings-ventilen er beskrevet heri med henvisning til å minimere hammereffekten skal det forstås at strømningsstyrings-ventilen i noen implementasjoner kan anvendes for å behandle flersone-kompletteringer. I flersonekompletteringer kan krysstrømning mellom soner forekomme gjennom kompletterings-strengen når forskjellige trykk forekommer i forskjellige soner. Høyere trykksoner kan skyve fluid tilbake i borehullet og inn i andre soner for å prøve å egalisere trykket, spesielt hvis fluidtilførsel fra overflaten stanses og brønnen søker sin naturlige trykklikevekt. Følgelig kan i en implementasjon flerstrømnings-styringsventiler monteres på en kompletterings-streng for sammenpasning til det tilsvarende antall avflersoner. Hver strømnings-styringsventil kan anvendes for å hindre tilbakestrømning fra sin tilsvarende sone ved å lukkes når trykket i sonen begynner å skyve fluid tilbake inn i kompletteringsstrengen. På denne måte kan de ovenfor nevnte implementasjoner anvendes for å hindre at krysstrømning foregår mellom flersoner.

Selv om rørelementene i figuren er avbildet med sirkulære tverrsnitt skal det forstås at i noen implementasjoner kan disse rørelementer ha ikke-sirkulære tverrsnitt, som for eksempel ovale, nyreformede eller lignende tverrsnitt. Videre, selv om strømningsstyringsventilen er blitt beskrevet som montert på en sidedel av en kompletterings-streng skal det være forstått at strømnings-styringsventilen i noen implementasjoner kan være montert i en forskjellig konfigurasjon, som for eksempel innrettet på linje med hovedaksen av kompletterings-strengen, noe som kan gjennomføres med ring- eller kulestrupeventiler. Videre, selv om strømningsstyringsventilen er blitt beskrevet med henvisning til fluid som strømmer gjennom kompletterings-strengen, skal det forstås at i noen implementasjoner kan strømnings-styringsventilen anvendes med andre typer av injeksjonsmedium, som for eksempel gass eller damp (for eksempel vanndamp).

Mens det foregående er rettet på implementasjoner av forskjellige teknologier beskrevet heri kan andre og ytterligere implementasjoner etableres uten å gå utenfor basisomfanget derav, som bestemmes av de etterfølgende patentkrav. Selv om oppfinnelses-gjenstanden er blitt beskrevet i et språk spesifikt til strukturelle trekk og/eller metodikkhandlinger, skal det forstås at oppfinnelsesgjenstanden definert i de etterfølgende patentkrav ikke nødvendigvis er begrenset til de spesifikke trekk eller handlinger som er beskrevet i det foregående. De spesifikke trekk og handlinger beskrevet i det foregående er snarere vist som eksempelvise utførelsesformer for implementering av patentkravene.

Claims

1. Fremgangsmåte for å injisere fluid inn i en undergrunns-formasjon gjennom en kompletterings-streng (130) med én eller flere strømnings-styringsventiler (300) anbrakt derpå, karakterisetvedå omfatte: å tilveiebringe en kompletterings-streng (130) med én eller flere posisjonert eksentrisk i forhold til kompletterings-strengen; hver strømnings-styringsventil (300) omfatter: et kammer som har en innløpsport (360) og en utløpsport (390); en bevegelig strupeanordning (340) er posisjonert i kammeret nær utløpsporten (390); og er konfigurert til å virke uavhengig av en tilbakeslagsventil sammenstilling (310) posisjonert i kammeret; hvor tilbakeslagsventilen (310) omfatter: et kule-sete (312) med en åpning; en kule (314) konfigurert til forseglende å koble seg med kule-setet; og en fjær (316) koplet til kulen, hvor fjæren for-spenner kulen mot en posisjon i hvilken åpningen er forseglet; å utplassere kompletterings-strengen (130) inne i et borehull slik at nevnte én eller flere strømnings-styringsventiler (300) er posisjonert nær én eller flere undergrunns-formasjoner; å koble en høytrykkspumpe (112) til kompletterings-strengen (130); å pumpe fluid under høyt trykk, via høytrykkspumpen (112), fra overflaten inn i kompletterings-strengen (130); å slippe ut høytrykksfluidet inn i brønnen gjennom utløpsporten (390); og å blokkere returstrømning gjennom utløpsporten (390) til strømnings-styringsventilen (300) ved opphør av pumping.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor fjæren er konfigurert til å presse kulen (314) mot kule-setet (312) når tilbakeslags-ventilsammenstillingen (310) er i en lukket posisjon.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor tilbakeslags-ventilsammenstillingen (310) ytterligere omfatter en strømningsbane gjennom åpningen av kule-setet

(312) omkring kulen (314) når tilbakeslagsventil-sammenstillingen (310) er i en åpen posisjon.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den bevegelige strupeanordningen (340) er konfigurert til å dekke i det minste en del av utløpsporten.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, ytterligere omfattende å lukke fluidstrømningsbanen fra nevnte én av undergrunnsformasjonene tilbake til kompletteringsstrengen (130) så snart trykket inne i kompletterings-strengen (130) er mindre enn trykket inne i nevnte én av undergrunnsformasjonene.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 18, hvor fluidstrømningsbanen fra nevnte én av undergrunnsformasjonene tilbake til kompletterings-strengen (130) lukkes ved å bevege den bevegelige strupeanordningen (340) til å dekke utløpsporten (390).