Avancerad styrning och kontroll av oljekällor Ray Phillips, Jacob G. Hoseth

Transkript

1 Få mer ur oljekällor till havs 1 En multilateral brunn i ett undervattensfält kan typiskt se ut på detta sätt. Under brunnhuvudet grenas hålet ut till ett antal produktionszoner. Avancerad styrning och kontroll av oljekällor Ray Phillips, Jacob G. Hoseth Att producera olja och gas från undervattensreservoarer med havsbotteninstallerad utrustning har bjudit offshore-industrin på tekniska utmaningar i mer än två decennier. Nyligen har uppmärksamheten förskjutits mot tanken på att föra ner styr- och instrumenteringsteknik i själva oljekällan, den så kallade brunnsmiljön. Orsaken är att denna teknik ger ökad flexibilitet och därmed bättre ekonomiska förutsättningar för operatören. Att använda sådan utrustning lovar avsevärd ökning av den utvinnbara mängden olja och gas från varje reservoar. Typiskt kan 30 till 35 procent av tillgängliga reserver utvinnas med konventionella metoder. Även en ökning på några enstaka procentenheter skulle betyda en enorm förbättring i resursutnyttjandet för oljebolagen. Som teknikledande företag inom detta område har ABB under 1998 och 1999 utvecklat systemet ADMARC (Advanced Downhole Monitoring and Reservoir Control). 43

2 Oil, Gas and Petrochemicals 2 En 3D-modell av en brunnsinstallerad strypning som visar hur de olika funktionerna är förpackade på utsidan av flödesvägen ADMARC är en typisk produkt av den nya generationen, ett så kallat intelligent brunnselement, som erbjuder integrerad styrning av reservoaren från en produktionsplattform vid havsytan. Tekniken är lika tillämpbar såväl till sjöss som till lands, men kommer troligen att få sina första praktiska tillämpningar i havsbottenbrunnar. Utrustningen ger möjlighet till realtidsstyrning av reservoarer i flerzonsbrunnar och multilaterala brunnar 1. 3 Flödet av vätskor från reservoaren avlägsnar sandpartiklar från berget som omger reservoaren. Partiklarna transporteras av vätskorna genom de brunnsinstallerade reglerventilerna och sandblästrar dessa komponenters insidor. Bilden visar den tydliga erosionen som resulterar av sådana svåra driftsförhållanden. Flödesreglering Hjärtat i tekniken är en brunnsinstallerad strypventil som gör det möjligt att blanda kolväteprodukter från reservoaren redan i själva brunnen, och på så sätt styra flödeshastighet och tryck. 2 illustrerar hur anordningen skulle kunna tillämpas en lång cylindrisk enhet med obehindrat axiellt flöde. Typiska brunnsdiametrar är 5 och 7 tum (12,6 respektive 17,8 cm). Ställdon och styrelektronik måste inhysas i det ringformiga utrymmet mellan den cylindriska enheten och brunnens innerfoder. För själva strypanordningen har stor uppmärksamhet fästs vid dess fysiska geometri. Inflödet måste styras noggrant. CFDanalys och andra modellerings- och förutsägelsemetoder har använts i stor omfattning för att optimera de mekaniska dimensionerna för strypningen. Viktigast i sammanhanget var flödesregleringsegenskaperna och problemet med sanderosion. 44

3 Regleregenskaperna har att göra med förhållandet mellan ventilposition och en flödesparameter för produktionsflödet. Liksom för alla strypventiler ska detta förhållande vara mjukt och förutsägbart genom enhetens hela reglerområde. Sanderosionen har förutsagts med beprövade CFD-metoder. 3 illustrerar typiska utdata från erosionsanalysen. Simuleringar måste hantera flöde i båda riktningarna, eftersom strypningen också kan användas för att styra flödet av reservoarvätskor från det ringformiga utrymmet och in i brunnen. I det sistnämnda scenariot är det viktigt att fördela flödet så att fodret eller bergmaterialet inte eroderas. 4 visar flödeshastigheterna genom strypningen i samband med vatteninjektion. 4 Injektionsvatten strömmar genom centralröret (blått) och de ringformade strypningarna och levereras med lägre energi till brunnen. Hastighetsfältet genom strypningen visar att området med hög energi (rött) behålls inuti strypningen. Kommunikationssystem Själva strypningen (och annan brunnsinstallerad instrumentering) kräver att de brunnsinstallerade elektronikmodulerna 5 paketeras för att dels uppfylla de fysiska begränsningarna, dels fungera i mycket höga temperaturer (över 150 C). ABB Corporate Research har utvecklat ASICkretsar för höga temperaturer [1], med såväl kisel/isolator-teknik som kiselkarbidteknik, som har löst detta problem. En brunnsinstallerad elektronikmodul hanterar växelströmsmatningen från en undervattenskabel, kommunikation av styr- och reglerdata och återkoppling av positions- 5 Fullständig elektronikenhet med matning, och den integrerade kretsen för kommunikation (infälld bild). Enheten har kapacitet att arbeta kontinuerligt vid temperaturer väl över 150 C, vilket är en nödvändig förutsättning för användning av smarta funktioner i oljebrunnar. 45

4 Oil, Gas and Petrochemicals Control system Wellhead router M Drive Actuator DEM Actuator DEM 6 Kommunikationssystemet ADMARC har en lokal bussarkitektur för den brunnsinstallerade delen. Denna buss enligt industristandard tillåter enkel sammankoppling med sensorer och ställdon från tredjepartsleverantörer. 7 Speciella kablar för de elektriska, hydrauliska och optiska signalerna är en integrerad del av det brunnsinstallerade styrsystemet. Kabeln till vänster är en så kallad flat-pack - kabel för två elektriska och en hydraulisk ledning, medan kabeln till höger är en enskild fiberoptisk kabel. data och mätdata till brunnhuvudet, via ett kommunikationsprotokoll med öppen arkitektur 6. Det brunnsinstallerade kabelsystemet 7 innefattar innovativa material och ny teknik från norska ABB Power. Dessa metoder har utforskats intensivt av ABB Corporate Research i Heidelberg och vid ABB:s USA-anläggning i Raleigh, North Carolina, vilken specialiserar sig på förpackning av optiska fibrer för kommunikation med brunnsinstallerade optiska sensorsystem. Instrumentering Under detta tvååriga projekt har stor uppmärksamhet fästs vid den brunnsinstallerade instrumenteringen. Ett exempel är den brunnsinstallerade vattenhaltgivaren i 8. Mätaren är avsedd för installation i en producerande oljebrunn som en del av produktionsledningen. Den mäter vattenhalten i de producerade vätskorna utan fysisk kontakt med flödet. Vattenhalten ökar under brunnens livslängd på grund av att vattenförande skikt runt reservoaren tränger in i produktionszonerna. Med kunskap om vattenhalten kan operatören tillämpa effektivare reglerstrategier. Givaren bygger på en radiofrekvent resonanskavitetsteknik, utvecklad i samarbete med ABB Corporate Research i Heidelberg. Enheten har redan genomgått omfattande test på oljeriggar i Storbritannien, Norge och Nederländerna. Operatörerna har visat intresse för enheten såväl för användning till lands som till sjöss. Det kompletta ADMARC-systemet, inklusive undervattenskablar, strypning, sensorer och instrumentering har utvecklats i nära samarbete mellan ABB Offshore Systems och ABB Powers division för specialkablar. Arbetet bygger på noggrann vetenskaplig forskning, som har genom- 46

5 8 Vattenhaltgivaren för brunnsinstallation bygger på en innovativ signalbehandling som påverkas av en radiofrekvent resonanskavitet som avgör vattenhalten i reservoarflödet. Som framgår av signalplottningen ger olika vattenhalter olika frekvens/dämpningssignaturer. A f Signaldämpning Frekvens A [db] f [MHz] 100% Oil D80 2.5% WC 5% WC 10% WC 15% WC 20% WC 30% WC 35% WC 40% WC (av.) 45% WC 50% WC 60% WC 70% WC 80% WC 90% WC 100% WC fört en root-and-branch -granskning av materialval och metoder för att ge mycket hög tillförlitlighet i brunnsmiljö. Industriell betydelse ADMARC-systemet ligger i linje med ABB:s integrerade angreppssätt för flödessäkring inom olje- och gasindustrin. Detta angreppssätt understryker de tre generella aspekterna för exploatering av oljefält: modellering, övervakning och administration av produktflödet från reservoaren till processanläggningarna. För en effektiv olje- och gasverksamhet är det nödvändigt att fokusera på mervärdet för oljefältoperatörerna, sett till fältexploatering, kapitalanvändning och kontinuerliga livscykelkostnader. Vi förutsätter att de beskrivna utvecklingarna kommer att ge upphov till betydande mervärde för slutanvändarna, och att dessa nya produkter kommer att bli väl etablerade i produktportföljen för ABB Oil, Gas and Petrochemicals. Författare Ray Phillips ABB Offshore Systems Limited 2 High Street, Nailsea Bristol BS48 1BS Storbritannien ray.phillips@gb.abb.com Telefax: Jacob G. Hoseth ABB Corporate Research N-1375 Billingstad jacob.hoseth@no.abb.com Telefax: Referenser [1] K. Asskildt, S. Yaghmai: Tillförlitlig elektronik vid höga temperaturer. ABB Tidning 5/99,