Die gegenständliche Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fördern eines Fluids aus einem Bohrloch mittels einer Förderpumpe, die von einem Pumpantrieb angetrieben wird, wobei die Förderpumpe das Fluid in einer im Bohrloch angeordneten Innenverrohrung aus dem Bohrloch nach oben fördert, wobei mit einer Messeinheit am Bohrloch ein Flüssigkeitsspiegel im Bohrloch erfasst wird und eine Steuereinheit den Pumpantrieb in Abhängigkeit vom erfassten Flüssigkeitsspiegel ansteuert, um einen vorgegebenen Soll-Flüssigkeitsspiegel im Bohrloch einzustellen, wobei die Innenverrohrung im Bohrloch in einer Außenverrohrung angeordnet ist und mit einem Kompressor mit einer Fördermengenregelung Gas mit einer Fördermenge aus einem Zwischenraum zwischen der Innenverrohrung und der Außenverrohrung fördert. Die Erfindung betrifft auch eine Förderanordnung zur Umsetzung des Verfahrens zum Fördern eines Fluids aus einem Bohrloch.

Zur Förderung eines Fluids, wie beispielsweise Erdöl, aus einer Bohrung, wird üblicherweise in die Bohrung eine Verrohrung angeordnet. Diese besteht häufig aus einem Innenrohr und einem Außenrohr. Über das Innenrohr wird das Fluid mit einer Förderpumpe an die Oberfläche gefördert. Das Innenrohr ist beim Fördern mit dem Fluid gefüllt. Zwischen dem Außenrohr oder der Bohrung und dem Innenrohr ist ein hohlzylinderförmiger Zwischenraum ausgebildet. Dieser Zwischenraum ist am Grund der Bohrung mit dem Innenrohr verbunden und dient auch dem Druckausgleich in der Bohrung. Das zu fördernde Fluid strömt aus dem angebohrten Fluidreservoir in den Zwischenraum und kann von dort über das Innenrohr entnommen werden. Im Zwischenraum stellt sich in Abhängigkeit von der Förderrate der Förderpumpe und Zuströmrate von Fluid aus dem Fluidreservoir in die Bohrung ein Flüssigkeitsspiegel in der Bohrung, konkret im Zwischenraum ein. Aus der EP 2 169 179 B1 ist bereits ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, um den Flüssigkeitsspiegel in einem Bohrloch anhand von akustischen Signalen zu bestimmen. Aus der WO 2016/124596 A1 ist es bekannt eine Förderpumpe zum Fördern eines Fluids aus einem Bohrloch anhand des bestimmten Flüssigkeitsspiegels zu betreiben.

Der Flüssigkeitsspiegel im Bohrloch wird auch vom Gegendruck der Gassäule im Zwischenraum über dem Flüssigkeitsspiegel beeinflusst. Durch die Förderung des Fluid gelangen durch das Ausgasen von im Fluid gelöstem Gas auch gasförmige Anteile aus dem Fluid in den Zwischenraum, die sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels sammeln. Dadurch kann der Gasdruck im Zwischenraum ansteigen, wodurch der Flüssigkeitsspiegel aufgrund des sich aufbauenden Gegendrucks sinken kann, weil die Zuströmrate des Fluids in die Bohrung aufgrund des Gegendrucks sinkt. Steigt der Gasdruck zu stark an, besteht auch die Gefahr, dass Gas mit der Förderpumpe angesaugt wird, was die Förderung beeinträchtigen kann und Förderpumpe beschädigen kann. Es ist auch bekannt, dass die Förderrate nicht zu hoch sein darf, sodass der Druck im Zwischenraum unterhalb des Entgasungsdrucks des Fluids abfällt, weil dann im Fluidreservoir Gas in Form von Gasblasen freigesetzt werden kann, die die Durchlässigkeit für Fluid im Fluidreservoir herabsetzen können, wodurch die Zuströmrate sinkt. Dieser Effekt kann irreversibel sein und sollte daher jedenfalls vermieden werden.

Um das Problem des Gegendrucks im Zwischenraum aufgrund der Gassäule oberhalb des Flüssigkeitsspiegels zu beheben, sind bereits verschiedene Ansätze bekannt.

Im einfachsten Fall wurde das Gas im Zwischenraum einfach in die Atmosphäre entlüftet, was aber aus offensichtlichen Gründen des Umweltschutzes unerwünscht ist. Auch ein Abfackeln des Gases aus dem Zwischenraum ist eine Möglichkeit, was aber aus den gleichen Gründen problematisch ist. In beiden Fällen geht dieses Gas auch verloren, was die Wirtschaftlichkeit der Bohrung verringern kann.

Es sind auch schon Anordnungen bekannt geworden, in denen das Gas im Zwischenraum aktiv mit Kompressoren gefördert wird. Das geförderte Gas kann dann in geeigneter Weise weiterverarbeitet oder weitergefördert werden. Oftmals wurde ein Kompressor hierfür einfach mit dem Antrieb der Förderpumpe gekoppelt, womit der Kompressor nicht regelbar war. Die Fördermenge des Kompressors konnte daher nicht kontrolliert werden und damit auch nicht der Druck im Zwischenraum.

Daher sind auch schon separat angetriebene und gesteuerte Kompressoren zur Förderung des Gases im Zwischenraum bekannt geworden, beispielsweise aus US 2018/0334894 A1 oder MX 272 768 B. Bei diesen Ausführungen wird der Druck im Zwischenraum an der Oberfläche gemessen und der Kompressor anhand des an der Oberfläche gemessenen Drucks gesteuert. Es hat sich aber gezeigt, dass der Druck an der Oberfläche die Drucksituation in der Bohrung, insbesondere in der Flüssigkeitssäule im Bohrloch, und die Lage des Flüssigkeitsspiegels im Bohrloch nur unzureichend wiedergibt. Durch die Regelung des Kompressors mit dem Druck im Zwischenraum an der Oberfläche kann nicht sicher verhindert werden, dass der Flüssigkeitsspiegel zu stark ansteigt oder zu stark absinkt oder dass der Entgasungsdruck unterschritten wird, mit den oben erwähnten möglichen Konsequenzen.

Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung anzugeben, mit denen die Förderung eines Fluids an einem Bohrloch verbessert werden kann und die Probleme des Standes der Technik vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Dadurch, dass nicht nur die Förderleistung der Förderpumpe, sondern auch die Fördermenge des Kompressors anhand des Flüssigkeitsspiegels im Bohrloch geregelt wird, kann mit dem Kompressor unabhängig von der Förderung des Fluids versucht werden, den Flüssigkeitsspiegel aufrecht zu erhalten. Auf diese Weise kann einen sich aufbauenden Gasdruck im Zwischenraum entgegengewirkt werden, ohne die Förderleistung des Fluids zu beeinflussen. Da auf den Flüssigkeitsspiegel geregelt wird, kann mit dem Kompressor der Gasdruck im Zwischenraum auch nicht unabsichtlich zu weit abgesenkt werden, insbesondere unterhalb des Entgasungsdruckes.

Durch die Erfassung des Flüssigkeitsspiegels kann bei mehreren Förderanordnungen am Fluidreservoir auch die Interaktion der Förderanordnungen bei der Förderung des Fluids aus dem Fluidreservoir beobachtet werden. Das kann genutzt werden, um eine optimale globale Förderstrategie für das Förderreservoir einzustellen.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn bei einem sinkenden Flüssigkeitsspiegel zuerst die Fördermenge des Kompressors erhöht wird bis eine vorgegebene Fördermenge erreicht wird und erst dann die Förderleistung der Förderpumpe reduziert wird. Diese kombinierte Regelung der Förderpumpe und des Kompressors auf den Flüssigkeitsspiegel ermöglicht daher eine optimale Förderung des Fluids. Die Förderleistung muss dabei erst dann reduziert werden, wenn der Flüssigkeitsspiegel über den Kompressor, und die damit verbundene Einstellung des Gasdruckes im Zwischenraum, nicht mehr aufrechterhalten werden kann.

Eine einfach zu implementierende Fördermengenregelung kann erzielt werden, wenn der Kompressor von einem Kompressorantrieb angetrieben wird und die Steuereinheit den Kompressorantrieb in Abhängigkeit vom erfassten Flüssigkeitsspiegel steuert.

Um die Erfassung des Flüssigkeitsspiegels, insbesondere mit akustischen Methoden, durch den Betrieb des Kompressors nicht negativ zu beeinflussen, kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass während der Erfassung des Flüssigkeitsspiegels im Bohrloch mit der Messeinheit, die Fördermenge des Kompressors gegenüber der Fördermenge des Kompressors vor und/oder nach der Erfassung reduziert wird.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur 1 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zeigen. Dabei zeigt

Fig.1 eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Förderanordnung.

Die Fig.1 zeigt eine typische Förderanordnung 1 zur Förderung eines Fluids, beispielsweise Erdöl, aus einem Bohrloch 2 in der Erdkruste. Mit dem Bohrloch 2 wird ein Fluidreservoir 3, üblicherweise eine Fluid führende Gesteinsschicht, angebohrt. Das Bohrloch 2 muss dabei nicht zwingend senkrecht verlaufen. Im Bohrloch 2 ist in bekannterweise eine Innenverrohrung 4 angeordnet, die wiederum, üblicherweise konzentrisch, in einer umgebenden Außenverrohrung 5 angeordnet ist. Der Zwischenraum zwischen der Außenverrohrung 5 und der Bohrlochwand kann mit einer Zementierung 6 aufgefüllt werden. Gesteinsschichten, die Flüssigkeiten oder Gase enthalten, können mit der Zementierung auch abgedichtet werden. Das Bohrloch 2 mit der Außenverrohrung 5 und der Innenverrohrung 4 wird oben durch einen Bohrlochkopf 17 abgeschlossen. Vom Bohrlochkopf 17 führt auch eine Fluidleitung 12 weg, um das geförderte Fluid abzuführen.

Zwischen der Innenverrohrung 4 und der Außenverrohrung 5 ist ein Zwischenraum 8 ausgebildet. Die Außenverrohrung 5, und gegebenenfalls auch die Zementierung 6, ist im Bereich des Fluidreservoirs 3 mit Perforationen 7 versehen, sodass das zu fördernde Fluid aus dem Fluidreservoir 3 durch die Außenverrohrung 5 in den Zwischenraum 8 strömen kann. Die Innenverrohrung 4 ist mit dem Zwischenraum 8 verbunden, sodass das Fluid aus dem Zwischenraum 8 in den Innenraum der Innenverrohrung 4 strömen kann. In der Innenverrohrung 4 ist eine Förderpumpe 9 angeordnet, mit der Fluid aus der Innenverrohrung 4 an die Oberfläche gefördert wird. Im Ausführungsbeispiel nach Fig.1 ist die Förderpumpe 9 als Gestängetiefpumpe ausgeführt. Ein Pumpenkopf 10 am Ende eines Gestänges 11 wird in der Innenverrohrung 4 auf und ab bewegt und dabei Fluid nach oben gefördert. Das Gestänge 11 wird in diesem Ausführungsbeispiel von einem Pumpantrieb 13 angetrieben, in diesem Ausführungsbeispiel ein bekannter Pferdekopfpumpantrieb. Es sei aber angemerkt, dass für die Erfindung grundsätzlich jede geeignete Förderpumpe 9 und jeder geeignete Pumpantrieb 13 verwendet werden könnte, insbesondere auch eine beliebig ausgeführte, in die Innenverrohrung hinabgelassene Verdrängerpumpe mit eigenem Antrieb. Damit muss der Pumpantrieb 13 auch nicht zwingend an der Oberfläche angeordnet sein.

Aufgrund der Förderleistung der Förderpumpe 9 und der Zuströmrate von Fluid aus dem Fluidreservoir 3 in die Bohrung 2 stellt sich im Zwischenraum 8 ein Flüssigkeitsspiegel F ein. Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels F befindet sich eine Flüssigkeitssäule des Fluids und oberhalb des Flüssigkeitsspiegels F eine Gassäule, die einen Gegendruck für das Fluid im Zwischenraum 8 aufbaut, wie eingangs erläutert wurde.

Am Bohrloch 2 ist eine Messeinheit 21 vorgesehen, mit der die Lage des Flüssigkeitsspiegels F, beispielsweise die Tiefe ausgehend von der Oberfläche, im Zwischenraum 8 erfasst werden kann. Die Messeinheit 21 ist beispielsweise wie in EP 2 169 179 B1 beschrieben ausgeführt. Im Wesentlichen werden dabei Druckwellen 22 (in Fig.1 angedeutet) erzeugt und in das Bohrloch 2 gesendet. Die Druckwellen 22 werden am Flüssigkeitsspiegel F reflektiert und die Reflexion 23 (in Fig.1 angedeutet) läuft an die Oberfläche zurück, wo die Reflexionen 23 aufgezeichnet werden. Durch Auswerten der Laufzeiten zwischen Abgabe der Druckwellen 22 und Erfassen der Reflexionen 23 kann auf die Lage des Flüssigkeitsspiegels F im Zwischenraum 8 geschlossen werden. Grundsätzlich kann aber für die Erfindung auch jede andere Messeinheit 21 verwendet werden, die die Erfassung der Lage des Flüssigkeitsspiegels F ermöglicht. Ein Messsignal MF, das die Lage des Flüssigkeitsspiegels F im Zwischenraum 8 repräsentiert, wird an eine Steuereinheit 20 übermittelt, die damit den Pumpantrieb 13 steuert, um die Förderleistung zu regeln. Das kann wie in WO 2016/124 596 A1 beschrieben erfolgen. Dazu erzeugt die Steuereinheit 20 ein Steuersignal SP, mit dem der Pumpantrieb

13 gesteuert wird. Mit dem Steuersignal SP wird beispielsweise ein Umrichter eines Elektromotors des Pumpantriebs 13 angesteuert, um die Drehzahl des Elektromotors einzustellen.

Im oberen Bereich des Bohrlochs 2, beispielsweise im Bohrlochkopf 13, ist der Zwischenraum 8 mit einer Gasleitung 16 verbunden. In der Gasleitung 16 ist ein Kompressor

14 angeordnet, mit dem Gas aus dem Zwischenraum 8 gefördert werden kann. Der Kompressor 14 kann ein beliebiger geeigneter Kompressortyp sein, beispielsweise ein Hubkolbenkompressor, ein Schraubenverdichter usw. Der Kompressor 14 wird von einem Kompressorantrieb 15, beispielsweise ein Elektromotor, angetrieben. Der Kompressor 14 umfasst eine an sich bekannte Fördermengenregelung 18, mit der die mit dem Kompressor 14 aus dem Zwischenraum 8 geförderte Fördermenge an Gas eingestellt werden kann. Die Fördermengenregelung 18 kann verschiedene Weisen implementiert sein und kann die Fördermenge stufenlos verstellen oder in diskreten Stufen.

Zur Fördermengenregelung 18 kann der Kompressorantrieb 15 von der Steuereinheit 20 anhand des erfassten Flüssigkeitsspiegels F (bzw. des Messsignals MF) angesteuert werden, wie im Ausführungsbeispiel der Fig.1. Die Steuereinheit 20 erzeugt hierfür ein Steuersignal SK für den Kompressor 14, mit dem der Kompressorantrieb 15 angesteuert wird. Das Steuersignal SK kann beispielsweise von einem Umrichter des Elektromotors des Kompressorantriebs 15 verwendet werden, um die Drehzahl des Elektromotors einzustellen. Auch ein getaktetes Einschalten und Ausschalten des Kompressors 14 über den Kompressorantrieb 15 kann als Fördermengenregelung 18 eingesetzt werden.

Die Fördermengenregelung 18 kann aber auch als pneumatische, hydraulische oder elektromagnetische Kompressorventilsteuerung ausgeführt sein. Dabei wird das Öffnen und/oder das Schließen eines Säugventils oder Kompressorventils des Kompressors 14 über die Kompressorventilsteuerung beeinflusst, um die Fördermenge einzustellen.

Beispielsweise kann ein Säugventil eines Kolbenkompressors während eines Teils der Kompressionshubes über die Kompressorventilsteuerung offen gehalten werden, wodurch die Fördermenge sinkt. Kompressorventilsteuerungen sind in vielfältigsten Ausführungen hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht im Detail eingegangen wird.

Eine weitere bekannte Fördermengenregelung 18 umfasst beispielsweise ein einstellbares Totvolumen eines Kompressionsraumes oder eine regelbare Bypassleitung zwischen Druckleitung und Saugleitung. Es kann eine gemeinsame Steuereinheit 20 für die Steuerung des Pumpantriebs 13 der Förderpumpe 9 und der Fördermengenregelung 18 des Kompressors 14 vorgesehen sein. Es können aber hierfür auch zwei physisch separate Steuereinheiten vorgesehen sein, die allerdings ebenso als gemeinsame Steuereinheit 20 betrachtet werden. Auch die Auswertung der von der Messeinheit 21 erfassten Reflexionen 23 zur Ermittlung des Messsignals MF kann in der Steuereinheit 20 (oder einer der Steuereinheiten) oder in einer eigenen Auswerteeinheit erfolgen. Eine Steuereinheit oder Auswerteeinheit ist vorzugsweise eine mikroprozessorbasierte Hardware, ein Mikrocontroller, eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ähnliches, auf der Steuersoftware oder Auswertesoftware ausgeführt wird. Eine Steuereinheit oder Auswerteeinheit kann aber auch als integrierter Schaltkreis, beispielsweise in Form einer Anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC) oder eines Field Programmable Gate Array (FPGA), ausgeführt sein, ebenso als analoger Schaltkreis oder analoger Computer.

Das mit dem Kompressor 14 geförderte Gas kann abgeführt werden und einer weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Das Gas kann auch einfach in die Fluidleitung 12 geleitet werden (wie in Fig.1), da das Gas bedarfsweise in einer weiteren Verarbeitung des geförderten Fluids abgeschieden werden kann. Die Kompressorleistung, beispielsweise die Fördermenge an gefördertem Gas pro Zeiteinheit, wird damit nicht anhand des Druckes an der Oberfläche gesteuert, wie bisher im Stand der Technik, sondern anhand des Flüssigkeitsspiegels F, also anhand der aktuellen Verhältnisse im Bohrloch 2.

Zur Förderung von Fluid aus dem Bohrloch 2 kann damit wie folgt vorgegangen werden. Aufgrund der bekannten Eigenschaften des Bohrlochs 2, wie beispielsweise Zuströmrate, Eigenschaften des Fluids usw., wird ein bestimmter Soll-Flüssigkeitsspiegel SF im Bohrloch 2 bzw. im Zwischenraum 8 vorgegeben. Der aktuelle Flüssigkeitsspiegel F wird während des Förderbetriebs laufend mit der Messeinheit 21 gemessen, beispielsweise mehrmals pro Stunde, beispielsweise zwei bis zehn Mal pro Stunde. Ein den Flüssigkeitsspiegel F repräsentierender Messwert MF wird von der Messeinheit 21 an die Steuereinheit 20 übermittelt. Die Steuereinheit 20 steuert mit dem Messwert MF (als Istwert) über den Pumpantrieb 13 die Förderleistung der Förderpumpe 9, sodass der vorgegebene Soll- Flüssigkeitsspiegel SF (als Sollwert) eingehalten wird. Hierfür kann natürlich auch ein gewisser zulässiger Toleranzbereich für den über die Steuerung eingestellten Flüssigkeitsspiegel F vorgegeben sein. Damit kann verhindert werden, dass der Flüssigkeitsspiegel F aufgrund einer zu hohen Förderleistung zu tief absinkt, und insbesondere, dass der Druck nicht unterhalb des Entgasungsdruckes im Fluidreservoir absinkt. Steigt der Flüssigkeitsspiegel F an, so wird die Förderleistung erhöht. Damit kann eine optimal auf die Gegebenheiten im Bohrloch 2 abgestimmte Förderung des Fluids erzielt werden. Baut sich aufgrund der Entgasung aus dem Fluid oberhalb des Flüssigkeitsspiegels F ein Gegendruck auf, würde der Flüssigkeitsspiegel F absinken, was die Steuereinheit 20 veranlassen würde, die Förderleistung der Förderpumpe 9 zu reduzieren, um dem Absinken des Flüssigkeitsspiegels F entgegenzuwirken. Daher wird der Kompressor 14 ebenso anhand des Flüssigkeitsspiegels F gesteuert. Sinkt der Flüssigkeitsspiegel F kann die Kompressorleistung durch die Fördermengenregelung 18 erhöht werden, um mehr Gas aus dem Zwischenraum 8 abzuführen, wodurch der Gasdruck im Zwischenraum 8 gesenkt wird und der Flüssigkeitsspiegel F wieder ansteigt. Das kann bis zur maximalen oder einer vorgegebenen Fördermenge des Kompressors 14 durchgeführt werden. Kann der Flüssigkeitsspiegel F durch Regeln der Fördermenge des Kompressor 14 nicht mehr gehalten werden, kann die Förderleistung der Förderpumpe 9 reduziert werden, um den Flüssigkeitsspiegel F im Bohrloch 2 bzw. im Zwischenraum 8 anzuheben. Diese kombinierte Regelung der Förderpumpe 9 und des Kompressors 14 auf den Flüssigkeitsspiegel F ermöglicht daher eine optimale Förderung des Fluids.

Wird die Lage des Flüssigkeitsspiegels F anhand von Schallwellen gemessen, so kann das Geräusch des Kompressors 14 und/oder des Kompressorantriebs 15 eine derartige Messung stören oder gar verunmöglichen. Daher kann vorgesehen sein, dass zu den Zeitpunkten, an denen die Lage des Flüssigkeitsspiegels F gemessen werden soll, die Kompressorleistung temporär reduziert wird, oder der Kompressor 14 sogar ganz abgeschaltet wird. Nachdem das Kompressorgeräusch unter anderem von der Kompressorleistung abhängig ist, kann damit eine Störung der Messung der Lage des Flüssigkeitsspiegels F verhindert werden. Nachdem eine solche Unterbrechung nur während des Messens der Lage des Flüssigkeitsspiegels F erfolgt, beeinflusst das die Regelung des Flüssigkeitsspiegels F kaum bzw. vernachlässigbar.

Oftmals sind an einem Fluidreservoir 3 mehrere Förderanordnungen 1 vorgesehen, mit denen parallel aus dem Fluidreservoir 3 gefördert wird. Sind mehrere Förderanordnungen 1 erfindungsgemäß ausgeführt, kann auch die Interaktion dieser Förderanordnungen 1 beobachtet werden, beispielsweise um eine optimale Förderung aus dem Fluidreservoir 3 zu realisieren. Eine zu hohe Förderleistung mit einer ersten Förderanordnung 1 kann beispielsweise dazu führen, dass der Flüssigkeitsspiegel F in einer zweiten Förderanordnung 1 aufgrund einer sinkenden Zuströmrate sinkt. Für eine effiziente Förderung kann es daher förderlich sein, an der ersten Förderanordnung 1 den eingestellten Soll-Flüssigkeitsspiegel zu erhöhen, um die Zuströmrate an der zweiten Förderanordnung zu erhöhen. Solche globalen Förderstrategien aus einem Fluidreservoir 3 lassen sich mit erfindungsgemäßen Förderanordnungen 1 einfach umsetzen, weil die aktuellen Situationen in den jeweiligen Bohrungen 2 für die Steuerung der Fördermengen der einzelnen Förderanordnungen 1 verwendet werden. Wie die globale Förderstrategie umgesetzt ist, kann von verschiedenen Faktoren aus dem Fluidreservoir abhängen. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass eine optimale Förderstrategie erst während des Förderbetriebs gelernt wird und/oder dass sich die Förderstrategie während des Förderbetriebs auch verändert.

Für eine globale Förderstrategie kann eine übergeordnete Reservoirsteuerung vorgesehen sein, die Informationen von den einzelnen erfindungsgemäßen Förderanordnungen 1, insbesondere die jeweiligen Flüssigkeitsspiegel F, erhält. Eine der Steuereinheiten 20 kann dazu auch als Reservoirsteuerung fungieren.