NO157874B - Direktefyrt dampgenerator for nedsenkning i oljebroenner. - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse vedrører en direktefyrt dampgenerator

for nedsenking i oljebrønner, omfattende en injektoranordning dannet ved en innløpssone, en utløpssone og omkretsvegger, og som har innretninger for innføring av luft og innretninger for innføring av brennstoff til injektoranordningen, en blandesone for blanding av brennstoff og luft, og innretninger for innføring av vann i og gjennom injektoranordningens omkretsvegger, et forbrenningskammer som er dannet ved en innløpssone, en utløpssone og en omkretsvegg, hvor forbrenningskammerets innløpssone er aksialt forbundet med injektoranordningens utløpssone, og hvor forbrenningskammerets vegg omfatter vannkanaler som er forbundet med injektoranordningens utløpssone for å motta vann fra denne, en varmeveksler som er dannet ved en innløpssone, en utløpssone og en indre og ytre omkretsvegg,

og hvor varmevekslerens innløpssone er aksialt forbundet med forbrenningskammerets utløpssone, og hvor innløpssonen til ringrommet som er dannet av varmevekslerens indre og ytre vegger er koblet slik at det kan motta uttaket fra vannkanalene, og en dyse som er anordnet for å motta uttaket fra varmeveksleren og injisere høytrykksprodukter inn i en formasjon.

I U.S.A. begynte man å bruke damp ved utvinning av råolje

i 1960. Den første anvendelse fant sted i den hensikt å gjøre mer effektive brønner som ble boret i forekomster med råolje med liten spesifikk vekt. Bruken av damp økte raskt over hele California og i midten av sekstiårene var oljeproduksjon ved hjelp av dampstimulering anslått til over 100 000 fat pr. dag.

Den såkalte dampstimulering går ut på at damp injiseres i en produksjonsbrønn i en forholdsvis kort tidsperiode, f.eks. noen få dager til en måned eller så, og gi brønnen anledning til å "mykne" (soak) i noen dager eller en uke eller to, hvoretter brønnen igjen tas i produksjon. Dampgeneratoren benyttes da til injeksjon i en annen brønn, deretter en tredje, fjerde osv. Vanligvis stimuleres brønner en gang hver tredje måned og opp til en gang i året. For å gjøre en slik operasjon lettere er dampgeneratoren vanligvis montert på meier eller dampen føres i rør til de i nærheten beliggende brønner som etter hvert skal forsynes med damp.

På grunn av den hurtige produksjon som følger etter utgiftene til fremstilling av damp, er dampstimulering i seg selv en profiterbar operasjon. Mengden av olje som kan utvinnes fra et reservoar er begrenset ved det forhold at inntrengningsområdet for en slik teknikk i reservoaret er begrenset. Ettersom oljen opphetes og fjernes fra sonen umiddelbart rundt borehullet, vil det forekomme innstrømning av olje fra reservoaret inn i sonen rundt borehullet.

Dampdriften er blitt utviklet som en tillegg- eller kompletterende operasjon for en dampoppmykning for oppnåelse av større total utvinningssgrad for råolje fra reservoaret. Under drift injiseres damp i alternerende brønner (boret i et seg gjentagende mønster) og oljen fortrenges av dampen inn i avtagningsbrønnene. Operasjoner i marken har bekreftet tidligere modellundersøkelser at produksjonen kan overskride 50% av den opprinnelige oljemengde på stedet, men ved lavere olje/dampforhold enn de som oppnås i damp/oppmykningsoperasjoner. De lavere olje/dampforhold skyldes det faktum at en betydelig større andel av injisert varme går tapt på grunn av den større kontakttid og kontaktområde mellom den bestrøkne reservoarsone og tilstøtende bergarter i bunn og topp.

Produksjon av råolje med dampstimulering og dampdrift har nådd ca. 200 000 fat pr. dag i løpet av 1978 (i U.S.A.). Disse forbedrede oljeproduksjonsprosesser er de eneste, foruten vannfylling, som har vist seg å være økonomisk gunstige til dags dato.

Bruken av dampinjisering har vært begrenset inntil nå til tungoljereservoarer med meget høy metningsgrad av olje som ikke har vært utvunnet merkbart ved tidligere operasjoner og vannoverstrømning. Den sistnevnte fremgangsmåte er selvfølgelig ikke anvendelig for disse tungoljereservoarer fordi de har meget liten evne til å flytte på seg. Den store metningsgrad er påkrevet for at utvinningen av råolje skal sikre tilstrekkelig stor produksjon for å oppnå tilstrekkelig salgsvolum til dekning av utgiftene til dampgenerering.

I den senere tid har man rettet oppmerksomheten på å

utvide bruken av dampdrift til reservoarer som tidligere har vært betraktet som lite egnet til prosessen. Begrensningene på anvendeligheten av dampdriften skyldes hovedsakelig en kombina-sjon av omstendigheter som fører til lave olje/dampforhold (produsert olje/injisert damp): For lav oljemetningsgrad

(utilstrekkelig energi utvinnes fra reservoaret for oppnåelse av profiterbare salgsvolumer (forholdsvis større andelstap av varme til bergarter i topp og bunn)), og for lavt eller for høyt reservoartrykk (store varmetap i brønnrørene og dårlig dampkvalitet på sandsiden) er de viktigste faktorer som begrenser utstrekning av dette system til oljereservoarer som ikke uten videre egner seg til prosessen.

Hensikten med denne oppfinnelse er å fjerne begrensninger som skyldes dybden og reservoartrykket og som influerer på virkningsgraden av dampdriftoperasjonen.

I kontinuerlige dampdriftoperasjoner kan en gjennomsnittlig reservoardybde anses å være ca. 330 m (fra 160 - 700 m) og gjennomsnittlige injeksjonstrykk kan være et sted mellom 21 og 28 kg/cm<2> (fra 3,5 til 35 kg/cm<2>). Injeksjonsmengdene varierer fra 500 til 2000 fat vann (omdannet damp) pr. dag og dampen som forlater generatorene har en kvalitet på fra 70 til 80%. Varmetap mellom generatoren og sandsiden kan beløpe seg til omtrent 10% (etter at likevekt er inntrådt i og rundt borehullet) , og følgen er at dampkvaliteten nedsettes til omtrent 60% ved sandsiden. Høyere trykk er nødvendig for at dampen kan injiseres i reservoarer med høyere trykk. Som følge av at varmetapene i de lange brønnrørene er enda større enn normalt, og fordi den latente varmemengde pr. kg damp avtar ettersom den følbare varme pr. kg damp øker med trykket, kan dampkvaliteten ved sandsiden falle til 40% eller mindre.

Teoretiske studier indikerer at dampens virkningsgrad når det gjelder fortrengning, avtar ettersom dampkvaliteten for dampen som trenger inn i reservoaret avtar. Denne konklusjon kan nåes intuitivt når man først har funnet ut at metningen av restolje i et dampfylt, porøst volum raskt reduseres til verdier under 10% av porevolumet, mens residualmetning overfor varmt vann er meget høyere (25 - 50%) og nåes bare gradvis. Undersøkelser i felten har bekreftet overlegenheten av dampdrift overfor varmtvanndrift.

En teknisk gunstig brønndampgenererator vil derfor oppnå fordeler ved mindre varmetap i overflaterør og brønnrør og større dampkvalitet ved sandsiden. Kapitalutgifter og opera-ssjonsutgifter kunne oppheve disse fordeler og det er derfor hensikten med denne oppfinnelse å tilveiebringe en konstruksjon av hensiktsmessig brønngenerator som vil sikre et positivt, økonomisk verdiforhold, dvs. hvor inntektene er større enn utgiftene.

Dampgeneratorer av den her gjeldende art er tidligere kjent. Det kan f.eks. henvises til US Patenter 4 078 613, 3 456 721 og 4 243 098.

En mer spesiell hensikt med oppfinnelsen er å forenkle de tidligere kjente dampgeneratorkonstruksjoner og mer spesielt systemet som fører vannet til forbrenningskammeret for fordampning.

Oppfinnelsen utmerker seg ved flere énveisventiler som er anordnet i varmevekslerens indre omkretsvegg og som bare åpner for passasje inn i varmevekslerens kjerne når vanntrykket overskrider et forutbestemt nivå som er høyere enn trykket i varmevekslerens kjerne.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere nedenfor ved hjelp av eksempler og under henvisning til de vedlagte tegninger hvor: Fig. 1 er et perspektivriss av dampgeneratoren for oljebrønnbruk i samsvar med oppfinnelsen, fig. 2 viser et lengdesnitt langs linjen 2-3 på fig. 1 og viser generatorens injektor og forbrenningskammersone, fig. 3 er et lengdesnitt langs linjen 2-3 på fig. 1 og viser varmeveksleren og dysesonen, fig. 4 viser et tverrsnitt langs linjen 4-4 på fig. 1 og viser forbrenningskammeret, fig. 5 er et tverrsnitt langs linjen 5-5 på fig. 1 og viser vanninnsprøytninger, og fig. 6 er et snitt gjennom en vanlig énveisventil til bruk ved vanninnsprøytnings-steder. Fig. 1 viser i perspektiv en dampgenerator utført i samsvar med oppfinnelsen og betegnet med 10. Generatoren 10 omfatter en injektoranordning 12 som er aksialt koblet til forbrenningskammeret 14. Nedstrøms for forbrenningskammeret 14 og sammenkoblet med dette for mottagning av utstrømningen fra kammeret er en varmeveksler 16 anordnet og som ender i en dyse 18.

Injektoranordningen 12 kan sees mer i detalj på fig. 2. Luft, brennstoff og vann komprimeres separat og føres gjennom separate ledninger innen brønnforingen 19 til generatorens 10 innløpssone 13 ved brønnbunnen. Den komprimerte luft strømmer inn i injektoranordningen gjennom luftinnløp 20 og strømmer nedover en luftring 22 og blander seg med forstøvet brennstoff i blandesonen som er betegnet med 24. Samtidig blåses luft gjennom luftblåseledninger 26 og selv om den kan ledes direkte inn i kammeret 14, ledes luften fortrinnsvis inn i en luftmani-fold 28 og gjennom et antall luftgrensesjiktporter 30 inn i forbrenningskammeret 14. Mens luften mates inn i generatoren 10, ledes brennstoff under trykk gjennom brennstoffledningen 32 og brennstoffforstøvningsdysen 34. Brennstoffet sprøytes inn i blandesonen 24 hvor luft og brennstoff blandes og antennelse skjer. Antennelse av luft/brennstoffblandingen skjer ved at antenningsmediet føres langs antenningsledningen 36 og inn i blandesonen 24. Selv om ethvert annet antenningssystem ville virke i en viss utstrekning, foretrekkes antenningssystemet som benytter hypergolik tennsats, såsom TEA/TEB (trietylaluminium/- trietylbor) som reagerer spontant med luft. For å sikre riktig antennelse i det foretrukne system, benyttes et U-rør. Dette tillater TEA/TEB å bli pumpet ned i borehullet til generatoren 10 og inn i en mottagningstank. Deretter fylles ledningen 36 med nitrogen for å sikre at antenningsbølgen går inn i generatoren 10 og ikke kan fortsette bakover ledningen 36 til overflaten.

Samtidig med antennelsesprosessen pumpes vann nedover i vannledningen 38 inn i ringen 40. Vannet strømmer fra injektoranordningen 12 og injektorutløpssonen 15 og inn i forbrenningskammerets innløpssone 17 og vannkanaler 42 som er anordnet i lengderetningen i veggen 44 av forbrenningskammeret 14. Ved å lede vannet gjennom forbrenningskammerets vegger 44 på denne måten, oppnås to hensikter, nemlig kjøling av forbrenningskammeret og opphetning av vannet før det sprøytes inn i forbrenningsgassene i varmevekslersonen 16.

Fig. 3 viser lengdesnitt gjennom varmevekslersonen 16 begrenset av innløpssonen 19 og utløpssonen 21 og en dyse 18. Når forbrenningsproduktene under høyt trykk strømmer ned

gjennom kjernen 51 av varmeveksleren 16, strømmer forvarmet vann nedover og fyller varmtvannsringen 46, som er ytterligere begrenset av en innervegg 47 og en yttervegg 49. Når vanntrykket i ringen 46 når det forutbestemte nivå, åpner énveisventilen 48 og tillater at vannet kan sprøytes gjennom vanninnsprøytnings-dysen 50 inn i varmevekslerens 16 kjerne 51. Når vann og

forbrenningsgasser blandes, omdannes vannet til damp. Deretter drives forbrenningsproduktene og dampen ut gjennom dysen 18, gjennom pakkeren og dennes stengeventil (ikke vist) og inn i formasjonen. Det stkal bemerkes at énveisventilene fortrinnsvis er anordnet i sett og helst i sett på fire hvor hver ventil er orientert radialt og anordnet i 90° avstand fra den tilstøtende ventil.

Endel konstruksjonsdata og driftsdata skal nevnes nedenfor for generatoren 10 uten at dette skal virke begrensende på

oppfinnelsen. En utførelse av generatoren 10 ifølge oppfinnelsen kan utvikle 3 780 000 Kcal/h med 85% dampkavalitet ved innsprøyt-ningstrykk fra ca. 42 til 225 kg/cm<2>. Det foretrukne operasjons-trykk er imidlertid 107 kg/cm<2>. Generatoren 10 og hele

utstyret over brønnen kan opereres ved reduserte innsprøytnings-trykk avhengig av brønnformasjonen. Generatoren 10 er konstruert til å kunne operere i hvilken som helst stilling fra vertikal til nærmest horisontal. Ved lavere trykknivåer kan den totale varmeytelse holdes ved 3 780 000 Kcal/h (hvilket er ekvivalent til en dampmengde på omtrent 900 fat pr. dag). Innsprøytnings-trykket på 42 kg/cm<2> krever en luftmengde på ca. 1,54 kg/sek. ved et kompressorutløpstrykk på omtrent 83 kg/cm<2>.

Generatoren 10 er utført for en brønnforing med 18 cm i diameter og har maksimal diameter på 14 cm.

Med damp med 85% kvalitet innsprøytet ved 42 kg/cm<2> er dampens partialtrykk omtrent 23 kg/cm<2.> Metningstemperaturen for dampen og dermed innsprøytningstemperaturen for alle fluider er 230°C. Omtrent 50% av innsprøytede fluider tilføres som fødevann. De resterende 50% kommer fra forbrenningsproduktene .

Det totale varmeinntak til reservoaret (dvs. 3 780 000 Kcal/h) er den totale varme som omfatter den følsomme varme som tilføres fra de innsprøytede forbrenningsgasser og den følsomme varme og den latente varme som tilføres fra vannet. Nærmere data for systemets dampytelse og driftsforhold fremgår av den følgende tabell.

Det vil fremgå at man i samsvar med oppfinnelsen har tilveiebragt en brønndampgenerator som kan fremstille minst 1000 fat damp pr. dag med ,85% dampkvalitet ved 42 til 225 kg/cm<2> og ved brønndybder så dype som fra 790 til 1600 meter.

Claims (4)

1. Direktefyrt dampgenerator for nedsenking i oljebrønner, omfattende en injektoranordning (12) dannet ved en innløpssone (13), en utløpssone (15) og omkretsvegger, og som har innretninger (20) for innføring av luft og innretninger (32, 34) for innføring av brennstoff til injektoranordningen (12) , en blandesone (24) for blanding av brennstoff og luft, og innretninger (38) for innføring av vann i og gjennom injektoranordningens omkretsvegger, et forbrenningskammer (14) som er dannet ved en innløpssone (17), en utløpssone og en omkretsvegg (44), hvor forbrenningskammerets (14) innløpssone (17) er aksialt forbundet med injektoranordningens (12) utløpssone (15) , og hvor forbrenningskammerets vegg (44) omfatter vannkanaler (42) som er forbundet med injektoranordningens (12) utløpssone for å motta vann fra denne, en varmeveksler (16) som er dannet ved en innløpssone (29), en utløpssone (21) og en indre og en ytre omkretsvegg (47, 49), og hvor varmevekslerens (16) innløpssone (19) er aksialt forbundet med forbrenningskammerets (14) utløpssone, og hvor innløpssonen til ringrommet (46) som er dannet av varmevekslerens indre og ytre vegger (47, 49) er koblet slik at det kan motta uttaket fra vannkanalene (42), og en dyse (18) som er anordnet for å motta uttaket fra varmeveksleren (16) og injisere høytrykksprodukter inn i en formasjon, karakterisert ved flere énveisventiler (50) som er anordnet i varmevekslerens (16) indre omkretsvegg (47) og som bare åpner for passasje inn i varmevekslerens (16) kjerne (51) når vanntrykket overskrider et forutbestemt nivå som er høyere enn trykket i varmevekslerens (16) kjerne (511.

2. Generator ifølge krav 1, karakterisert ved at énveisventilene (50) er orientert radialt.

3. Generator ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at at énveisventilene (50) er gruppert i sett, hvor hvert sett er anordnet slik at det sprøyter inn vann i varmevekslerens kjerne i en forutbestemt avstand fra forbrenningskammeret (14).

4. Generator ifølge krav 3, karakterisert ved at hvert sett av énveisventilene (50) omfatter fire radialt orienterte ventiler i 90° avstand fra hverandre.