(12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE. (51) Int Cl. E21B 43/12 ( ) H02K 44/08 ( ) F04D 13/10 ( ) F04B 47/06 (2006.

Transkript

1 (12) PATENT (19) NO (11) (13) B1 NORGE (51) Int Cl. E21B 43/12 ( ) H02K 44/08 ( ) F04D 13/10 ( ) F04B 47/06 ( ) Patentstyret (21) Søknadsnr (86) Int.inng.dag og søknadsnr (22) Inng.dag (85) Videreføringsdag (24) Løpedag (30) Prioritet (41) Alm.tilgj (45) Meddelt (73) Innehaver Enhanced Recovery Technologies AS, Kanalveien 119, 5068 BERGEN, Norge (72) Oppfinner Robert Storbekk, Løbergsveien 34, 5054 BERGEN, Norge (74) Fullmektig Onsagers AS, Postboks 1813 Vika, 0123 OSLO, Norge (54) Benevnelse Magnethydrodynamiske (MHD)-pumpe og metode for bruk av en Magnethydrodynamiske (MHD)-pumpe som booster-pumper for utpumping av petrokjemiske produkter fra oljebrønner (56) Anførte publikasjoner (57) Sammendrag WO 2013/ A2 US 2011/ A1 Magnethydrodynamisk (MHD) pumpe (12) brukt som nedihulls ESP for pumping av fluid gjennom brønnhull (8) for å hente fluid fra oljebrønn og fremgangsmåte for bruk av denne. Pumpen har anordning for injisering av elektrolytt og er langstrakt for installasjon i borehull.

2 5 Teknisk område 1 10 Den foreliggende oppfinnelsen omhandler booster-pumper for bruk nedihulls for utpumping av petrokjemiske produkter fra oljebrønner Nærmere bestemt omhandler oppfinnelsen magnethydrodynamiske (MHD)- pumper til bruk som booster-pumper for bruk nedihulls for utpumping av petrokjemiske produkter fra oljebrønner. Bakgrunnsteknikk Ved utvinning av olje er det en fordel om trykket i oljereservoaret er tilstrekkelig til at oljen av seg selv kan strømme fra en oljebrønn, gjennom en oljerørledning og til et oljelager. Ofte er ikke dette trykket tilstrekkelig høyt eller så høyt som ønskelig. Da er det behov for en nedihulls boosterpumpe for å øke trykket slik at fluidet, typisk råolje, kan strømme optimalt. l en oljebrønn kan driftsavbrudd være svært kostbart, så driftssikre systemer er helt vesentlig. En driftsstans pga. en ødelagt pumpe vil dessuten gjerne medføre at pumpen må bringes ut av borehullet for reparasjon og inspeksjon og kan derfor lett bli tidkrevende og derved enda mer kostbar.lpetroleumsreservoarer har det i alle tider vært betydelige mengder hydrokarboner igjen når reservoaret har vært ansett som uttømt. De senere tiårene har man fått erfaring i å pumpe opp store mengder hydrokarboner som haleproduksjon som bonus etter normal produksjonsslutt. Nedihulls booster-pumper er en av teknikkene man har tatt i bruk for å oppnå dette. 35 For en booster-pumpe er det flere utfordringer. Alt som skal anvendes nede i et borehull må fraktes gjennom dette borehullet og derfor er langstrakte objekter med lite tverrsnitt gjerne en forutsetning for å få plassert utstyr. 40 Fluid som råolje kan ha ulik kvalitet og sammensetningen varierer fra oljekilde til oljekilde og fra oljebrønn til oljebrønn. Den kan også variere i løpet av oljekildens levetid. l dag er det vanlig med elektriske nedsenkbare pumper- ESPs (electric submersible pump). Med slike pumper øker man utvinningen av olje i oljebrønner og øker også produksjonstakten. Slike pumper er utsatt for ugjestmilde omgivelser.

3 Ifølge en artikkel på lnternettet som finnes på adressen er de i bruk på dybder ned til 3,7 km, trykk på 34 MPa og temperaturer på opp til 149 grader celsius. Videre kreves det mange steder en stor pumpekapasitet som kan kreve opp til 750 kw effekt på en pumpes motor. Slike motorer er gjerne seriekoblede sentrifugalpumper og tåler lite mekanisk forurensning, som for eksempel sand, i råoljen. Mekanisk forurensning begrenser følgelig en slik pumpes levetid. 15 Pumper som brukes nedihulls av oljebransjen for å pumpe opp olje i dag har alle mekaniske komponenter som er utsatt for slitasje. 20 En MHD-pumpe har i utgangspunktet ingen bevegelige komponenter utover mediet som skal pumpes og kan derfor være fordelaktig med tanke på slitasje og driftssikkerhet MHD-pumper blir brukt til å pumpe fluid som er elektrisk ledende. Elektrisk ledende fluid kan eksempelvis være: plasma, saltvann, blod, ulike elektrolytter, metall, flytende metall, metall-legeringer eller flytende metall-legeringer. Virkemåten til en MHD-pumpe er godt kjent og er basert på Maxwells ligninger sammen med Lorenz kraftlov: dersom en partikkel med ladning q beveger seg med en hastighet v i et eksternt elektrisk felt E og et magnetisk felt B, blir den utsatt for kraften F: F = q(e + v x B) eller omformet v = (F- q x E) l B. Fet skrift indikerer vektorer. l artikkelen som finnes på lnternettet under beskrives dette prinsippet i sin enkleste form. En MHD-pumpe brukt som ESP vil som nevnt ha store fordeler ved oljeutvinning fordi den i utgangspunktet ikke har bevegelige deler. 35 Det er flere årsaker til at MHD-pumper ikke har vært nærliggende å vurdere i forbindelse med utvinning av olje og gass. 40 For å kunne bruke en MHD-pumpe som ESP-boosterpumpe må flere faktorer være tilfredsstillende. Helt vesentlig er det at ledningsevnen til fluidet som skal pumpes må være i et område som gjør at elektrisk strøm som skal gå gjennom fluidet, sammen med størrelsen på det magnetiske feltet som blir påtrykt, er tilstrekkelig til at

4 5 3 pumpekapasiteten blir som påkrevet. Råolje er i utgangspunktet en dårlig strømleder med store variasjoner i konduktivitet l patentdokumentet US2004/ A1 er det beskrevet en MHD-pumpe som pumper ikke-ledende fluid. Den gjør det ved å benytte en toveis MHD-pumpe i en gren der flytende metall fungerer som to stempler og ventiler styrer pumpingen av ikke-ledende fluid. En ulempe med denne løsningen er at det er innført flere mekaniske ventiler i fluid-strømmen og som er potensielle feilkilder. Dessuten opptar det flytende metallet plass og må være under kontroll, både under installasjon nede i brønnhullet og under drift. l patentdokumentet US2004/ A1 beskrives det en forbedring av virkningen til en MHD-pumpe ved at fluid som pumpes går flere ganger i en sirkulær bane med en sentral elektrode før det forlater pumpen. På den måten oppnår man å øke den magnetiske flukstettheten. l et borehull er tverrsnittet en begrensende faktor og en sirkulær fluid-bane er ikke ønskelig. 25 l patentdokumentet US2006/ A1 omtales det en MHD-pumpe som pumper menneskelig blod. Blodet utsettes for et elektrisk felt og et magnetisk felt ortogonalt på hverandre og presser derved blodet gjennom blodårer. Denne pumpen forutsetter at fluidet, her blodet, har ønsket ledningsevne slik at forhold som nødvendig elektrisk strøm og spenning samt magnetisk felt kan holdes innenfor realistiske rammer og samtidig gi den ønskede blodstrømmen. 30 I patentdokumentet WO 2013/ omtales en nedihulls elektromagnetisk pumpe for bruk i en oljebrønn som brukes til å øke utvinningen av hydrokarboner fra en brønn. Pumpen består av elektroder som er spredt plasser inn i rørveggen på produksjonsrøret, og hvor den elektrohydrodynamiske kraften fra elektrodene driver fluidet i produksjonsrøret oppover. 35 I patentdokumentet US 2011/ omtales bruk av en elektrohydrodynamisk pumpe for å pumpe boreslam med god ledningsevne opp til overflaten. 40 Det er ønskelig å komme frem til en pumpe som skal pumpe opp petroleumsprodukter fra en oljebrønn og være uten bevegelige deler som kan innebære slitasje over tid. Den bør være driftssikker og kunne plasseres nede i dype oljebrønner og kreve minimalt med vedlikehold.

5 Kort gjennomgang av oppfinnelsen l henhold til en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen blir en magnethydrodynamisk pumpe brukt som nedihulls ESP for pumping av fluid gjennom brønnhull for å hente ut fluid fra oljebrønn, der pumpen har en anordning for injisering av elektrolytt og pumpen er langstrakt for installasjon i borehull. Som opsjon kan den magnethydrodynamiske pumpen være integrert i veggen i et rør som skal føre fluidet fra oljebrønnen. 15 Som opsjon kan anordningen for injisering av elektrolytt få tilførsel av elektrolytt gjennom en umbilikal. 20 Som opsjon kan elekrolyttinjeksjonsdyser være plassert mellom elektrodene til MHD-pumpen for å forenkle oppstart av pumpen. Som opsjon kan en del av en magnetkjerne utgjøres av en del av en brønnhullsforing En foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er en fremgangsmåte for bruk av en magnethydrodynamisk pumpe som nedihulls ESP til å pumpe fluid gjennom brønnhull for å hente ut fluid fra oljebrønn, der elektrolytt injiseres i fluidet som skal pumpes; og strøm ledes, gjennom fluidet med elektrolytt, overveiende ortogonalt på ønsket pumperetning og et magnetfelt påtrykkes overveiende ortogonalt på ønsket pumperetning og overveiende ortogonalt på strømfeltet. Som opsjon blir mengden elektrolytt som injiseres, regulert under drift. 35 Som opsjon blir elektrolytten tilført fra overflaten gjennom tilførselskanaler til pumpen. Som opsjon monteres minst to magnethydrodynamiske pumper etter hverandre. 40 pumping. Som opsjon blir elektrolytt injisert mellom elektrodene for å forenkle start av Som opsjon kobles minst to magnethydrodynamiske pumper i serie for å legge til rette for større pumpekapasitet og/eller redundant pumpekapasitet.

6 5 5 Et hovedformål med den foreliggende oppfinnelsen er å frembringe en mer driftssikker, robust og slitesterk ESP-pumpe for bruk nedihulls i borehull ved å bruke en MHD-pumpe Et formål til er å kunne installere slike pumper i serie etter hverandre uten at en feilende pumpe hindrer de resterende pumpene i å pumpe. En konvensjonell ESP-pumpe med bevegelige deler kan i mange feiltilstander hindre strømmen av fluid som går gjennom den. Dette gjør det enklere å rasjonalisere slike pumpers størrelsesutvalg ved at man kan bygge en større pumpe ved å sette sammen flere mindre. Man kan også installere en viss overkapasitet slik at en reservepumpe som ikke tas i bruk i starten kan sette i drift når en pumpe svikter eller hvis kravet til pumpekraft øker i løpet av brønnens levetid. 20 Kort gjennomgang av tegningene Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives nærmere med henvisning til tegningene som viser flere utførelsesformer av oppfinnelsen Fig. 1A viser plassering av en MHD-pumpe brukt som ESP-pumpe i et borehull; Fig. 1B viser et utsnitt som omfatter selve MHD-pumpen i Fig. 1A; Fig. 2A er en sidevisning av en MHD-pumpe; Fig. 2B viser MHD-pumpen i Fig. 2A sett ovenfra; Fig. 2C er en sidevisning av MHD-pumpen i Fig. 2A ortogonalt på visningen i Fig. 2A; og Fig. 3 viser inn- og utganger på en strømforsyningsomformer til en MHDpumpe. Detaljert gjennomgang av oppfinnelsen Fig. 1A viser bruk av en foretrukket utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Vi ser her et forenklet vertikalt borehull. Hullet er boret gjennom grunnen og er foret med et rør for å sikre en stabil vegg på borehullet. Fra toppen og ned i borehullet kan man se en såkalt umbilikal 9, også kalt navlestreng. Umbilikalen 9 omfatter ulike elementer og tilførselskanaler 3, og forsyner nedihulls utstyr med tilførsel av styringssignaler, elektrisk strøm, hydraulikk og annet under installasjon og drift av borehullet. l figuren er det vist en slik umbilikal 9 som strekker seg fra overflaten og ned til en strømforsyningsomformer 11 som igjen er koblet til en MHD-

7 pumpe 12. En MHD-pumpe 12 som skal pumpe olje og gass fra et undergrunnsreservoar 17 trenger stor pumpekapasitet og vil derfor måtte ha en stor fysiske størrelse. For at pumpen skal kunne plasseres nede i et borehull må den være utformet som en langstrakt enhet som har en ytre diameter som er mindre enn den indre diameteren til borehullets foring. Diameteren er gjerne mindre jo lenger ned i borehullet man kommer. Langt nede i et borehull kan denne diameteren være på mindre enn 150 mm. Utsnittet A av MHD-pumpen i Fig. 1A er i Fig. 1B vist forstørret for å tydeliggjøre MHD-pumpens utforming der plassering av spoler for dannelse av et magnetfelt 15 overveiende ortogonalt på borehullet, magnetspoler 5 er indikert. Magnetspoler 5, som er viktige deler imhd-pumpen 12, er ytterligere tydeliggjort i Fig. 2B og 2C. l de siste to figurene er det også vist en magnetkjerne 7 som med strøm i magnetspolene 5 gir magnetfeltet 15. Videre er det vist hvordan disse magnetspolene kan være innbakt ipumpehuset 6. Pumperetningen, dvs. den retningen som fluidet 17 skal pumpes, er indikert med En MHD-pumpe forutsetter at en elektrisk strøm 14 går overveiende ortogonalt på pumperetningen. En fluid-strøm i et borehull har ikke nødvendigvis en ønsket elektrisk konduktivitet. Ifølge oppfinnelsen kan man da tilføre en elektrolytt som for eksempelkan tilføres fra overflaten og via en umbilikal 9. Ved å tilføre elektrolytten lenger inn mot reservoaret 17 vil den lett blande seg inn i fluidstrømmen slik at elektrolytten blir homogent blandet i denne. En anordning, ikke vist, kan så styre mengden elektrolytt Hvis elektrolytt må tilføres er det et annet problem man må forholde seg til, nemlig at MHD-pumpen ikke kan starte av seg selv dersom fluidstrømmen ikke allerede er i gang. Dette for at strømmen 14 skal gå gjennom fluidstrømmen må fluidstrømmen ha tilstrekkelig stor konduktivitet. En måte å løse dette på er å injisere elektrolytt direkte i området mellom elektrodene 1 inne i pumpen. Når pumpen først er i gang kan man evt. gå over til kun å tilføre elektrolytt i et område før fluidet når pumpen. Den ytre delen av magnetkjernen 7 som ligger langs utforingen på innsiden av borehullet kan som opsjon helt eller delvis erstattes av selve utforingen som gjerne er utført i stål. Dette er ikke vist i tegningene. På denne måten er det mulig å. øke den effektive diameteren til MHD-pumpen 12 i et gitt borehull. Dersom pumpens kapasitet skal være stor kan man bruke en lengre pumpe. Et alternativ til dette er å koble flere pumper i serie for å oppnå det samme. En størrelse kan på denne måten dekke mange ulike krav til

8 pumpekapasitet. Slik standardisering vil føre til enklere lagerhold og man kan også enklere bygge inn redundans. Redundans kan være nyttig dersom kravet til kapasitet kan variere over tid eller dersom man ønsker redundans innebygget hvis det skjer feil med en pumpe. Fordi en MHD-pumpe ikke har bevegelige deler, vil en pumpe som står i serie med en eller flere andre bare oppføre seg som et passivt rør dersom denne pumpen ikke er i operativ drift. Pumpen som ikke er i operativ drift har med andre ord ingen bevegelige deler som kunne hindret fluidstrømmen. En konvensjonell ESP-pumpe med bevegelige deler kan i mange feiltilstander hindre strømmen av fluid som går gjennom den. Man kan rasjonalisere slike pumpers størrelsesutvalg ved at man kan bygge en større pumpe ved å sette sammen flere mindre. Man kan også installere en viss overkapasitet slik at en reservepumpe som ikke tas i bruk i starten kan sette i drift når en pumpe svikter eller hvis kravet til pumpekraft øker i løpet av brønnens levetid. 20 l Fig. 3 vises det en strømforsyningsomformer som får strømtilførsel 13 via umbilikalen 9 og generer egnet strøm til magnetspolene 5 som genererer magnetfelt 15 til MHD-pumpen 12. Fig. 3 viser videre at strømforsyningsomformeren generer egnet strøm 14 som går mellom elektrodene 1 i samme MHD-pumpe l foreliggende dokument brukes uttrykket magnethydrodynamisk. Fordi dette er det vanlig omtalte uttrykket som beskriver teknikken som brukes, benytter vi dette uttrykket selv om magnetfluiddynamisk ville vært mer beskrivende. 30 Referansenummer brukt i foreliggende søknad: 1 Elektrode 2 Elektrolyttinjeksjonsdyse 3 Elektrolyttilførselskanal 4 Strømforsyningskabel 5 Magnetspole

9 6 Pumpehus 8 7 Magnetkjerne 8 Borehull 9 Umbilikal 10 Forankring og forsegling 11 Strømforsyningsomformer 12 MHD-pumpe 13 Strømtilførselskabel 14 Elektrisk strøm 15 Magnetisk felt 16 Pumperetning 17 Karbohydratreservoar 5

10 PATENTKRAV 9 1. Magnethydrodynamisk pumpe ( 1 2 ) brukt som nedihulls ESP for pumping av fluid gjennom brønnhull ( 8 ) for å hente ut fluid fra oljebrønn, k a r a k t e r i s e r t v e d at pumpen innbefatter: - Et langstrakt pumpehus (6) med et gjennomgående, langstrakt hulrom der fluidet strømmes; - En eller flere magnetspoler (5) anordnet i pumpehuset (6), der elektrisk strøm tilføres via en eller flere forsyningskabler (4) fra en umbilikal (9); - En eller flere elektroder (1) anordnet i pumpehustet (6), der elektrisk strøm (14) tilføres via en eller flere forsyningskabler fra en umbilikal (9); og - En eller flere anordninger for injisering av elektrolytt (2) i fluidet. 2. Magnethydrodynamisk pumpe ( 1 2 ) ifølge krav 1, der anordningen for injisering av elektrolytt ( 2 ) får tilførsel av elektrolytt gjennom en umbilikal (9). 3. Magnethydrodynamisk pumpe ( 1 2 ) ifølge krav 2, der anordninger for injisering av elektrolytt innbefatter elekrolyttinjeksjonsdyser (2) plassert mellom elektrodene (1) til MHD-pumpen. 4. Fremgangsmåte for bruk av en magnethydrodynamisk pumpe (12) som nedihulls ESP til å pumpe fluid gjennom e t brønnhull (8) for å hente ut fluid fra oljebrønn, k a r a k t e r i s e r t v e d at: - En magnethydrodynamisk pumpe (12) ifølge krav 1 anordnes i brønnhullet (8), -elektrolytt injiseres i fluidet som skal pumpes; og -strøm ledes, gjennom fluidet med elektrolytt, overveiende ortogonalt på ønsket pumperetning og et magnetfelt (15) påtrykkes overveiende ortogonalt på ønsket pumperetning (16) og overveiende ortogonalt på strømfeltet. 5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, der mengden elektrolytt som injiseres reguleres under drift.

11 10 6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, der elektrolytten blir tilført fra overflaten gjennom tilførselskanaler (3) til pumpen. 7. Fremgangsmåte ifølge krav 4, 5, eller 6, der minst to magnethydrodynamiske pumper (12) monteres etter hverandre. 8. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 4 til 7, der elektrolytt injiseres mellom elektrodene (1) for å forenkle start av pumping. 9. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 4 til 8, der minst to magnethydrodynamiske pumper (12) kobles i serie for å legge til rette for større pumpekapasitet og/eller redundant pumpekapasitet

12

13

14