NO20101382A1 - Bronnpumpeinstallasjon - Google Patents

Abstract

Undersjøisk brønnarrangement og fremgangsmåte for installasjon, omfattende en nedsenkbar pumpe som omfatter en pumpeseksjon og en motorseksjon, en kabel for tilførsel av kraft til pumpemotoren som strekker seg oppover i brønnen, og midler for kobling av kabelen til en kraftkilde på utsiden av brønnen, hvor pumpeseksjonen er forankret til en produksjonsrørledning i brønnen, motorseksjonen er frigjørbart koblet til pumpeseksjonen og lokalisert over pumpeseksjonen, en kraftkabel er koblet til motoren og strekker seg på innsiden av rørledningen opp til en plugg som er lokalisert i rørledningshengeren i juletreet, og at den utenforliggende kraftkilden er koblet til pluggen.

Description

Oppfinnelsen vedrører en brønnpumpeinstallasjon og en fremgangsmåte for installering og/eller opphenting av en pumpe fra en undersjøisk brønn.

Når hydrokarboner ekstraheres fra en underjordisk formasjon blir et hull boret ned til den produserende formasjonen som deretter blir foret og produksjonsrør blir installert i brønnen med et juletre på toppen. Deretter blir foringen perforert for å tillate hydrokarboner å strømme inn i røret og ut av brønnen. Juletreet inneholder ventilene og annet utstyr som skal sikre trygg operasjon av produksjonen.

Normalt vil hydrokarbonene strømme ut av brønnen fritt på grunn av trykket i formasjonen. Ettersom det som er deponert uttømmes vil likevel trykket falle og brønnen kan måtte bli stengt ned mens det fremdeles er hydrokarboner igjen som kan bli ekstrahert fra brønnen. Det er mulig å installere midler i brønnen for å hjelpe til å løfte hydrokarbonene til overflaten. Det finnes også deponeringer der det naturlige trykket i formasjonen er for lavt til å "presse" hydrokarbonene ut av brønnen.

Det finnes to måter å hjelpe ekstrahering av hydrokarboner fra brønnen. Ved å benytte en gassløfteprosess blir en gass pumpet en del av veien ned i brønnen. Når gassen strømmer oppover danner den et trykkfall i toppen av brønnen som vil gjøre det mulig for hydrokarboner å strømme ut. Dette er en vidt utbredt benyttet fremgangsmåte, men den er forbundet med store kostnader da det må bli installert ytterligere infrastruktur og gassen må kanskje bli pumpet fra en overflatefasilitet. En annen fremgangsmåte er å installere en pumpe i brønnen for å øke trykket i strømningen. Disse blir kalt elektrisk nedsenkbare pumper (ESP). Likevel er miljøet i en brønn svært utfordrende og kan forårsaket elektriske motorer til å bryte sammen etter kun få år. Pumpen blir vanligvis installert som en del av rørledningen (eng: tubing) og derfor må hele produksjonsrørledningen bli trukket opp når det er nødvendig å skifte ut pumpen. Derfor er pumper mest vanlig benyttet på landbaserte brønner der det er enklere å få tilgang til brønnen.

I et undersjøisk miljø er tilgang til pumpesystemet mye vanskeligere. En undersjøisk brønn kan være lokalisert .mer enn ett tusen-mjitei-.under overflaten og ESP-systemet kan i tillegg være installert tusenvis av meter under sjøbunnen. Dette øker utfordringen ved installasjon fordi utstyret må ha kapasiteten til å bære installasjonskabelen eller vaieren i tillegg til vekten av ESP'en.

I en undersjøisk brønn er det behov for et ESP-system som er enkelt å installere og hente opp igjen (i tilfelle svikt). Dette behovet er adressert ifølge foreliggende oppfinnelse.

I det følgende vil oppfinnelsen bli beskrevet med referanse til de tilhørende tegningene, der

Figur 1 er en tegning av en undersjøisk brønnpumpeinstallasjon,

Figur 2 er en tegning som viser pumpe-/motorkombinasjonen i mer detalj,

Figur 3 er en tegning av installasjonssystemet,

Figur 4-8 er tegninger av installasjonssekvensen,

Figur 9 er en tegning som viser pumpen installert i brønnen,

Figur 10 er en tegning av brønnhode-PCH'en.

Figur 11 viser alternative midler for installasjon, og

Figur 12 er en tegning av en komposittkraftkabel.

I figur 1 er det vist en brønn med en pumpe som er installert ifølge oppfinnelsen. Brønnen har et brønnhode 2 med et juletre 4 koblet til brønnhodet. Brønnhodet støtter et antall foringsstrenger som er vist i figur 3. Juletreet har et produksjonsutløp 6 som er kontrollert av en ventil 8. Fra juletreet strekker en produksjonsrørstreng 10 seg ned til en produserende formasjon 12.

Pumpen omfatter en pumpeseksjon 20 koblet til en elektrisk motor 22. Pumpe/motor-kombinasj onen kan bli satt sammen og fiksert til hverandre på overflaten, men i en foretrukket utførelsesform er motoren og pumpen separate og en frigjørbar kobler 21 er montert mellom motoren og pumpen. Grunnen til dette vil bli forklart i mer detalj senere.

Pumpeseksjonen 20 er koblet til et kombinert paknings- og forankringsmiddel 24. Dette gjør at pumpen kan være forankret til rørledningen i brønnen. Forankringsmiddelet kan være kilebelter som er ekspandert inn i rørledningsveggen slik dette er velkjent på fagområdet. Pakningen isolerer annulusen mellom pumpen og rørledningen. Som en del av pakningen kan det være installert en sikkerhetsventil 26 som kan stenge innløpspassasjen til pumpen.

En kraftkabel 30 strekker seg fra brønnhodet 2 til den elektriske motoren 22 for å forsyne motoren med kraft. En foretrukket kabel kan være som vist i figur 12. Kabelen 30 er en komposittkabel med karbonfibere innesluttet i en matriks 31. Kabelen omfatter tre kraftledere 32, hver av disse med et isolerende lag 33.1 tillegg er det vist en optisk kabel 34 for å bringe signaler til eller fra motoren. Kabelen kan også omfatte hydrauliske linjer 36 for tilførsel av for eksempel kjemikalier og fluider for operasjon av hydrauliske funksjoner (operere luker/sperrer trykktest o.s.v.) nede i brønnen. På tegningen er tre linjer vist, men det kan selvfølgelig være flere eller færre enn tre. Komposittkabelen vil bli designet for å bære vekten av ESP'en under installasjon og opphenting, og dette vil bli diskutert i mer detalj senere. Et fordelaktig design er en kabel med 30 mm ytre diameter (eng: OD) og som har tre ledere med diameter på 5 mm. En slik kabel vil ha en bruddstyrke på 560 kN.

Motoren 22 har en kobling 23 for tilkobling av kabelen til motorhuset. Dette er fortrinnsvis en permanent kobling som blir gjort på overflaten før installasjonen.

Kabelen strekker seg oppover til juletreet 4 og er i sin øvre ende koblet til en plugg 24. Pluggen 24 er designet for å passe inn i kronepluggprofilen i røropphenget (eng: tubing hanger). For å forsyne motoren med kraft blir en spesiel ventiltrekappe (eng: tree cap) 26 benyttet. Ventiltrekappen omfatter en wet-mate-kobling som når den er installert vil passe i en tilsvarende kobling på pluggen 24. Kraft blir tilført fra en

fjern lokalisering gjennom undersjøisk kabel 25.

Under anvendelse, som vist i figur 2 vil hydrokarbonene strømme fra den produserende formasjonen og inn i brønnen under pumpen og deretter opp til pumpeinntaket, som vist ved pilen 14. Pumpeutløpet er avbildet med piler 15. Strømningen vil deretter fortsette opp rørledningen 16 og ut gjennom produksjonsutløpet 6 på juletreet.

I figur 3 er det vist et typisk brønnoppsett med en intervensjonsstabel montert på toppen for installasjon og tilbaketrekking av ESP'en. I brønnen er det plassert en ledningsføring (eng: conductor casing) som normalt er forankret til en ledebase (ikke vist). På innsiden av denne er det overflateforing 104 som er sveiset til brønnhodet 2 på den normale måten. I dette eksemplet er to intermediære foringer 105 og 106 installert i brønnen og hengt ned fra juletreet 2. Produksjonsrørledningen er sveiset til en rørledningshenger (ikke vist) på juletreet og strekker seg ned inn i brønnen. En produksjonspakning 108 forsegler det annulære rommet mellom rørledningen 10 og den innerste foringen 106. En liner 110 kan også bli arrangert i brønnen, og strekker seg inn i formasjonen. Som vist har juletreet et produksjonsutløp 6 som er kontrollert av en masterventil 8 og vingventil 9.

Lubrikatorstabelen (eng: lubricator stack) er montert på toppen av juletreet og koblet til dette. Lubrikatorstabelen omfatter et lubrikatorrør 50, en brønnkontrollpakke 52 og øvre 54 og nedre 56 trykkontrollhoder (PCH). Den øvre PCH er utstyrt med et lubrikatorsystem for å fremme passasjen av en kabel gjennom PCH'en. Bypass-linjer 60 er arrangert for å skylle hydrokarboner ut av lubrikatoren gjennom 64 og inn i brønnen. Det finnes midler 62 for injisering av en hydratinhibitor inn i lubrikatoren. For en mer detaljert forståelse av den undersjøiske lubrikatorstabelen vises det til US patent 7 331 393 og den detaljerte beskrivelsen der.

Figurene 4-8 viser installasjonssekvensen for ESP'en. Før installasjon er WCP-ventilene 52 og den nedre PCH 56 lukket. Den øvre PCH er åpnet og ESP'en 20,22 blir senket inn i lubrikatoren som er opphengt i kabelen 30 (figur 4). Den øvre PCH er nå lukket og den nedre PCH blir åpnet for å tillate passasje av pumpen inn i brønnen. Den øvre PCH tillater passasje av kabelen mens brønnfluidene forsegles fra miljøet. Dersom nødvendig kan smøremiddel bli tilført for å forsegle rundt kabelen mens den senkes inn i brønnen, som beskrevet i US patent 7 331 393.

I denne utførelsesformen blir en sikkerhetsventil installert i rørledningen over ESP'en. Når sikkerhetsventil 32 er nær lubrikatoren blir den nedre PCH 56 lukket for å forsegle rundt kabelen. Hydrokarboner vil nå bli skylt ut av lubrikatoren før den øvre PCH 54 blir åpnet for å tillate passasje for sikkerhetsventilen. Etter at sikkerhetsventilen 32 har nådd lubrikatoren blir den øvre PCH 54 igjen lukket forseglingstett rundt kabelen 30 (figur 5). Den nedre PCH kan nå bli åpnet for å tillate ytterligere passasje av ESP'en og sikkerhetsventilen inn i brønnen (figur 6).

Ettersom ESP'en blir senket videre inn i brønnen nærmer forankringspluggen 24 seg lubrikatoren. Den nedre PCH 56 blir igjen lukket og hydrokarboner skylt ut av

lubrikatoren. Nå blir den øvre PCH 54 åpnet og oppsettet blir senket ytterligere inn i brønnen inntil pluggen 24 har nådd lubrikatoren 50 (figur 7). Den øvre PCH 54 blir igjen lukket og den nedre PCH 56 blir åpnet. Oppsettet blir nå senket ytterligere inn i brønnen inntil ESP'en er i posisjon til å bli låst til rørledningen. Belastningen blir nå tatt av løftekabelen 31 slik at pluggen 24 kan entre og bli låst inn i rørhengeren. Dette vil da også ta vekk belastningen fra komposittkraftkabelen 30.

Kabelen kan være arrangert slik at den kveiles langs den indre veggen av produksjonsrørledningen, og dette kan bli oppnådd ved hjelp av overlengde av kabel eller ved teleskopisk ESP-låsearrangement. Kabelen kveilet mot rørledningsveggen kan ha fordelaktige arbeidsbetingelser på grunn av at den er ute av hovedproduksjonsstrømningen og mindre utsatt for slitasje og vibrasjon.

Situasjonen er nå som vist i figur 11. ESP'en og pluggen er forankret i posisjon. En ventiltrekappe (eng: tree cap)som har en wet-mate-kobling blir installert på toppen av og låst inn i juletreet. Ventiltrekappekoblingen stikkes inn i en mottaker (ikke vist) i pluggen for å muliggjøre at kraft, signal og fluider kan bli tilført ESP'en. Figur 9 viser flere detaljer for den nedre PCH 56. PCH'en omfatter bukker (eng: rams) 67, 68 som kan bli åpnet for å tillate passasje av de større delene, slik som pumpen og pluggen. Etter passasje av de større delene kan bukkene bli lukket for å muliggjøre forsegling rundt kabelen mens pumpen senkes inn i brønnen. En ventil 70 med midler til å kutte kabelen kan også bli inkludert i PCH 56. Figur 10 viser en alternativ utførelsesform. Under installasjon blir den nedre PCH 56 senket til sjøbunnen og koblet til brønnhodet (juletre). På overflaten blir pumpen montert på innsiden av lubrikatorrøret og den øvre PCH plassert på toppen av lubrikatoren. På denne måten vil lubrikatoren virke som en beholder under installasjon. Som nevnt ovenfor omfatter PCH-bukkene strippemidler (eng: stripping means) men kan også åpnes vidt for å få plass til ESP'en med større diameter, sikkerhetsventil, kabelhenger (plugg) og så videre. I en foretrukket utførelsesform kan strømningsrør 72 bli arrangert rundt kabelen. Strømningsrørene er korte lengder med rør som har en indre diameter som kun er litt større enn kabelen. På overflaten blir kabelen satt inn i strømningsrøret og når oppsettet senkes vil strømningsrørene være lokalisert rett over ESP'en. Når ESP'en har passert gjennom den øvre PCH kan PCH'en bli lukket rundt strømningsrørene og holde disse mens ESP'en senkes videre inn i brønnen. Når pluggen er montert på toppenden av komposittkabelen kan et annet strømningsrør være arrangert rundt løftevaieren over pluggen.

Når tiden kommer for pluggen til å passere gjennom den nedre PCH blir den åpnet og strømningsrøret tillatt å gli nedover inn i brønnen.

Et trykkutjevningssystem (eng: pressure equalization system) 74 kan anordnes til lubrikatoren.

Normalt blir et ESP-oppsett installert sammen med rørledningen og kraftkabelen vil da normalt bli ført på utsiden av rørledningen og festet til denne. Pumpene blir da normalt lokalisert over motoren fordi det muliggjør bedre avkjøling av motoren. Som nevnt tidligere er problemet da at for å hente opp oppsettet må hele rørledningen bli tatt opp av brønnen. Dette er en svært kostnadskrevende operasjon fordi det er nødvendig med en rigg på overflaten for å takle belastningene (eng: loads). I tillegg må brønnen drepes ved å pumpe tung mud inn i brønnen for å balansere trykket i brønnen. Dette kan ha alvorlige konsekvenser ved at det kanskje ikke vil være mulig å starte opp brønnen igjen fordi mud har trengt inn i formasjonen og lukket porene som muliggjør strømningen av olje inn i brønnen.

I foreliggende oppfinnelse er det derfor foreslått at pumpeseksjonen er lokalisert under motoren og frakoblbar fra motoren. Pumpen vil normalt ha en mye lenger levetid enn motoren. En pumpe kan typisk vare i opp til ti år mens en motor kan bli slitt ut på så kort tid som i løpet av to år. Det vil derfor være en fordel å være i stand til å kun å kunne skifte ut motoren mens pumpeseksjonen blir igjen i brønnen. En annen fordel med dette er at når pumpen og motoren er installert separat kan lengden av lubrikatoren være mindre. En ESP kan enkelt være mer enn 40 meter lang og det er derfor svært vanskelig å ha slikt langt lubrikatorrør fordi det blir påvirket av bøyemomenter fra operasjoner og strømmer og bøyemomentene kan være mer vanskelig å ta høyde for. Det vil helt sikkert føre til en større og tyngre lubrikator for å muliggjøre tilstrekkelig stivhet.

I den foretrukne utførelsesformen blir derfor pumpen installert først. Pumpen kan bli kjørt på en standardvaier, kabel eller dersom ønskelig kveilerør. Den nedre PCH vil i dette tilfellet ikke bli benyttet. Deretter blir pumpeseksjonen installert som beskrevet ovenfor.

Når pumpen stopper å virke skyldes det nesten helt sikkert motoren, og derfor, når den hentes opp kan dette bli gjort ved å benytte et lett fartøy i stedet for en kostnadskrevende rigg.

Oppfinnelsen fremmer også retrospektiv installering av ESP'en i eksisterende brønner. Den øvre DHSV (sikkerhetsventil) 32 må i dette tilfellet bli låst opp før pumpeinstal lasj on.

Claims (15)

1. Undersjøisk brønnarrangement som omfatter en nedsenkbar pumpe som omfatter en pumpeseksjon og en motorseksjon, en kabel for tilførsel av kraft til pumpemotoren som strekker seg oppover i brønnen, og midler for kobling av kabelen til en kraftkilde på utsiden av brønnen, karakterisert vedat pumpeseksjonen er forankret til en produksjonsrørledning i brønnen, motor seksjonen er frigjørbart koblet til pumpeseksjonen og lokalisert ovenfor pumpeseksjonen, en kraftkabel er koblet til motoren og strekker seg på innsiden av rørledningen opp til en plugg som er lokalisert i rørledningshengeren i juletreet, og at den utenforliggende kraftkilden er koblet til pluggen.

2. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 1, hvor kraftkabelen er en komposittkabel.

3. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 2, hvor komposittkabelen omfatter minst to kobberledere, en optisk linje og minst én fluidlinje.

4. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 2, hvor komposittkabelen er en belastningsbærende kabel benyttet til å holde vekten av pumpen under installasjon eller opphenting.

5. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 1, at pluggen har en wet-mate-kobling for kobling av linjene i kabelen til linjer i en ventiltrekappe.

6. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 1, hvor ventiltrekappen er koblet til en fjerntliggende installasjon.

7. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 1, hvor en undersjøisk lubrikator under installasjon blir montert på toppen av brønnen.

8. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 7, hvor den undersjøiske lubrikatoren omfatter et lubrikatorrør og et første trykkontrollhode lokalisert på toppen av lubrikatorrøret.

9. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 7, hvor den undersjøiske lubrikatoren omfatter et andre trykkontrollhode lokalisert mellom lubrikatorrøret og toppen av brønnen.

10. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 7, hvor trykkontrollhodene har midler til forsegling rundt komposittkabelen når pumpen blir ført inn i eller ut av brønnen.

11. Undersjøisk brønnarrangement ifølge krav 7, hvor trykkontrollhodene omfatter et smøremiddelinjeksjonssystem.

12. Fremgangsmåte for installasjon av en nedsenkbar pumpe i en undersjøisk brønn omfattende de følgende trinn: feste en komposittkabel til pumpen og senke pumpen inn i en undersjøisk lubrikator som har øvre og nedre trykkontrollhoder, åpne den nedre lubrikator og senke pumpen ytterligere inn i brønnen, feste en plugg til den øvre enden av komposittkabelen, feste en annen kabel eller vaier til pluggen og senke pluggen inn i den undersjøiske lubrikatoren mens pumpen blir senket ytterligere inn i brønnen, åpne den nedre PCH for å tillate at pluggen går inn i juletreet, forankre pumpen i produksjonsrørledningen i brønnen, og forankre pluggen i juletreet.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12, ytterligere omfattende trinnet med å låse pumpen til produksjonsrørledningen i brønnen.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12, hvor motoren og pumpen kan bli installert uavhengig av hverandre.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 12, hvor lubrikatoren blir hentet opp til overflaten etter operasjoner.