CN101476671B - 一种基于热流物流匹配的冷流系统 - Google Patents

Abstract

一种基于热流物流匹配的冷流系统，通过多井气、液流量的匹配，流体温度、压力及其组分的控制和冷流技术结合使多相流体在管道中稳定的流动。从油(气)井中开采出的流体，依次经匹配系统，冷流系统，输送至输油(气)管道。匹配系统对各井进行物流、热流匹配，得到最佳的流量分配。冷流系统将多相流体中水全部形成水合物，使后续流动中不再有水合物形成。匹配系统和冷流系统结合可以防止水合物形成、沉积堵塞管道，使多相流体在管道中稳定的流动。本发明化学剂用量最少，环保性能好，成本低，管道堵塞和腐蚀的风险小，适合长距离输送。

Description

一种基于热流物流匹配的冷流系统

技术领域

本发明涉及一种流动安全保障技术，具体设计了一种基于热流物流匹配的冷流系统。可以应用于深海油田的水下生产系统以保证从海底井口到平台之间油气混输管线的流动安全，同时也适用于陆地生产系统。

背景技术

随着世界能源需求的不断增长，在加大现有资源开发力度的同时，开辟深海油气勘探开发领域以寻求新的资源是当前面临的主要任务。深海具有两个显著特点：高静水压力和低环境温度。低环境温度会使流体温度降低到蜡状物沉积和气体水化物形成的临界点以下，固体物质就会析出并凝结在管壁上，最终会导致生产系统或管线的堵塞，影响正常的生产运行，在某些严重情况下，甚至会导致油井停产，必须防止或定期清除。流动保障的功能是确保石油天然气以稳定、易管理的、经济的方式从油藏到达目的地。流动安全保障作为石油天然气生产系统中非常重要的一个环节是深海油气田开发的关健问题之一，直接影响到开发项目的经济效益。近年来，流动安全保障的高严要求和由此而来的高造价、高系统复杂性带动了许多技术的发展。

管道流动保障工作需要重点解决水合物和蜡在管内沉积堵塞的问题。对此，国内外相关行业做了大量的研究工作，形成了一些切实有效的技术。目前主要有以下几种解决方案：管线中注入化学药剂(包括热动力水合物抑制剂和低剂量水合物抑制剂)以减少或阻止蜡、水合物、沥青质等形成，析出，沉积，防止管线堵塞。该方法在可操作性及油田适应性存在很大的局限，并且不可避免的带来油品的污染，同时运行成本也较高，是一种非绿色环保工艺方法；直接电加热法通过电缆连接管道，使管道内的流体保持较高温度，即使在管道停输期间其温度也高于水合物形成的温度和析蜡点，还可用于预防固体沉积。该方法可操作性及油田适应性均较好，具有较好的环保性能。最大的风险在于加热电缆的短路将破坏混输管道，而且随着管输距离的增加，供热能量会减少，而产热费用和电力费用会增加。电加热方法对于混输距离小于200km的管线有最好的综合性能，对于更长的距离，由于需要更大的电加热功率，技术与风险成本大大增加，甚至近期都不能解决长距离高电压电缆技术；冷流技术基于控制混输管线中水合物颗粒形成目的，理论上具有良好的可操作性及油田适应性，风险适中，环境友好，投资及运行成本适中。但是，该技术目前还没有应用先例，仍处于研究中，主要有2个研究团队，SINTEF与BP联合开展研发，NTNU的Gudmundsson教授。冷流技术与直接加热法相比对200km以上混输距离的管线有更好的综合性能。

美国专利US6774276基于SINTEF-BP冷流思想提出了一种含水的碳氢化合物在管道中稳定输送的技术，综合考虑了多种情况下的流动安全问题，但采用的水下装置比较多，成本比较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够使多相流体在管道中稳定的流动，不会形成堵塞的基于热流物流匹配的冷流系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括设置在油(气)井内的井筒，在井筒内设置有与井口相连通的油管，井口通过输油管路与冷流系统相连接，冷流系统通过输油管道与收集装置相连；

所说的冷流系统包括与输出油(气)的输油管路相连通的换热器，换热器的输出端依次通过反应器和分离器与输油管路相连通，所说的分离器的输出端还通过回输管线及回流泵与反应器的输出端相连通。

本发明的分离器通过输油管路还连接有混合器，混合器的输入端还与湿气管路相连通；冷流系统中经输送管路输出的气在进入换热器之前的管路上还设置有节流装置；井口与冷流系统之间的输油管路上还设置有匹配系统，且在油管内还设置有与匹配系统相连接的传感器；匹配系统包括控制中心，控制中心的输入端与输入设备和传感器相连接，输入设备将各油井的物质组成及其成分输入到控制中心，传感器将测量的实时压力、温度等数据输入到控制中心，控制中心的输出端连接有用于控制各油井流量的输出设备。

本发明通过热流物流匹配，实现多井气液流量的控制；使多相流体在管道中稳定的流动，不会形成堵塞。化学剂用量很少或基本不用，而且能全部消耗掉，环保性能好；系统可操作性好，成本低；运输管线中水全部以水合物的形式存在，减小了管道堵塞和腐蚀的风险；水合物形成的同时，蜡也会结晶，降低了管道中结蜡的风险；管线和周围环境处于热力平衡状态，水合物在管线中运输时不会融化，适用于长距离输送。

附图说明

图1为单井的水下生产运输系统示意图；

图2为多井的水下生产运输系统示意图；

图3为油井的冷流系统示意图；

图4为气井的冷流系统示意图；

图5为匹配系统结构示意图；

图中的标号名称及含义如下：

1：油(气)井；2：油管；3：井筒；4：井口；5：冷流系统；5-1：油(气)；5-2：换热器；5-3：反应器；5-4：分离器；5-5：回输管线；5-6：泵；5-7：湿气；5-8：混合器；5-9：运输管线；5-10：节流装置；6：收集装置；7：传感器；8：匹配系统；8-1：输入设备；8-2：输出设备；8-3：控制中心

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，若油井与其他井距离较远，可以考虑单井输送。包括设置在油(气)井1内的井筒3，在井筒3内设置有与井口4相连通的油管2，井口4通过输油管路与冷流系统5相连接，冷流系统通过输油管路5-9与收集装置6相连。油管2沿油(气)井1中的井筒3延伸，将油(气)从井底举升到井口4，从井口4输出的流体直接进入冷流系统5形成稳定的多相流体，以保障水下生产系统的流动安全。经冷流系统5处理的流体流动过程中流体温度压力变化不大，水合物和蜡，沥青等物质不会沉积，流体在管道中稳定流动。

图2所示的多井水下生产运输系统，井口4与冷流系统5之间的输油管路上还设置有匹配系统8，沿各井油管2布置了一些与匹配系统8耦合的传感器7。油(气)通过油管2输送到井口4，从井口4输出的流体首先输送到匹配系统8，匹配系统8根据已测的各油井产物成分和传感器系统测量的实时压力温度数据进行计算，根据热流物流匹配的计算结果对各井的流量进行控制，得到最佳的流量分配。经过流量匹配的流体进入冷流系统5，流体在冷流系统5中形成稳定的水合物。多相流体在输油管路5-9中稳定流动直至输送系统的末端，在此过程中周围环境温度压力变化不大而且没有自由水的存在，不会有水合物形成，蜡，沥青等物质也基本不会沉积，流动比较稳定。

参见图3，冷流系统5包括与输出油(气)5-1的输油管路相连通的换热器5-2，换热器5-2的输出端依次通过反应器5-3、分离器5-4和混合器5-8与输油管道5-9相连通，所说的分离器5-4的输出端还通过回输管线5-5及回流泵5-6与反应器5-3的输出端相连通，混合器5-8的输入端还与湿气管路5-7相连通。从匹配系统8出来的热的油井产物5-1，经过流量匹配后含水率不是太高，蜡，沥青等的沉积的风险也较小，基本上不用加化学剂，一般只有在系统启动等不稳定的工况下需要注入少量的化学剂，可以直接将化学剂注入到反应器5-3中，化学剂可以是蜡，沥青等的抑制剂或是水合物的成核剂，根据油井的具体情况而定。化学剂用量较小，可以全部消耗掉，不会污染环境。流体经输油管道直接进入换热器5-2冷却，温度降低到水合物形成平衡温度附近。流体冷却降温后输送到反应器5-3中，与分离器5-4中分离出的一部分冷流体混合，冷流体中包含有大量的干水合物颗粒，湿流体在不含自由水的干水合物粒子上结晶，或使干水合物尺寸增大或形成新的水合物。水合物形成需要一定的过冷度，过冷度由分离器5-4分离出的冷流体提供，反应器5-3的器壁温度比较低也可以提供一定的过冷度。为防止污垢或沉淀的形成，反应器5-3的器壁采用防水材料。包含大量水合物的流体在管线中经过一段时间的运输，到达分离器5-4中温度降低到接近周围环境温度。分离器5-4将流体分成两部分，一部分水合物颗粒和剩余流体与湿气5-7在混合容器5-8中混合，经管线5-9输送出去；剩下的部分冷流体经泵5-6回输到反应器5-3中，提供水合物形成需要的固体颗粒，使循环持续进行。冷流体在回输管线5-5中进行进一步的冷却，以提供水合物形成的过冷度需求。湿气5-7与分离器5-4中分离出的部分流体在混合容器5-8中混合，湿气5-7中的自由水分与冷流体中的水合物粒子混合，使水合物粒子尺寸增大或是形成新的水合物。在混合器5-8中，所有的自由水分都用于形成水合物，因此混合器5-8出口流体中所有的水都以水合物的形式存在，流体在管线5-9中稳定的流动，直到输送管线的末端。

图4主要针对的是气井的流动安全系统，与图3的过程大体上是一致的。从匹配系统出来的热的气体5-1，经管线节流装置5-10降温降压，再进入换热器5-2继续冷却。流体在反应器5-3中与分离器5-4中分离出的一部分含有水合物颗粒的冷流体混合，经节流装置5-10和换热器5-2降温后的流体中的水蒸气在反应器5-3中凝结成液态水与自由水一起在水合物颗粒上结晶，或使水合物颗粒尺寸增大或形成新的水合物。分离器5-4将流体分成两部分，一部分流体直接经管线5-9输送出去，剩余流体经泵5-6输送到反应器5-3中提供循环所需的水合物颗粒，流体在分离器5-4之前在管线输送过程中温度已接近周围环境温度，冷流体在管线5-9中将会进行进一步的冷却，以满足水合物形成的过冷度需求。

图5的匹配系统中8-1是输入设备，根据已测数据将各油井的物质组成及其成分等输入到控制中心8-3中，同时传感器7也将测量的实时压力温度等数据输入到控制中心8-3中，控制中心根据输入数据进行计算，得到最佳的流量分配，流量匹配结果从输出设备8-2中输出，实现对各井流量的控制。

本发明首先选定海底油田中距离较近的井，对各井产物进行抽样，分析每口井组成成分，确定混输方案。海底油(气)井采出的原油或天然气从井筒3中经油管2举升到井口4，经输油管线输送到匹配系统8中。匹配系统8根据各井产物不同的组成成分和由传感器7实时测量的压力、温度等数据以及水合物形成机理及结蜡与沥青质形成的动力学规律等对各井进行物流、热流匹配，通过控制每口井的流量使多井产物组成的混合物物理化学性质达到一定的要求，使结蜡和沥青质沉积的风险最小。流量匹配后的油(气)经管线输送至流动安全保障系统，本发明采用的流动安全技术是冷流技术，含水率要求在一定的范围内，若匹配后的混合物不能达到含水率要求，可以使油(气)先经过脱水器除去一定的水分，分离出的水可以经注水泵增压后通过专用注水井回注到海底注水系统，防止污染环境。热流体经过一段管线输送进入换热器，流体温度降低到接近于水合物形成平衡温度附近。经换热器冷却后的流体输送到反应器中与分离器分离出的一部分冷流体混合形成水合物。反应器之后的分离器将流体分为两部分，一部分经过运输管线直接输送至目的地，另一部分回输到反应器中提供水合物形成需要的水合物颗粒使循环持续进行。经过冷流系统后流体中的自由水全部用于形成水合物，由于海底温度压力变化不大，后续流动中不会再有水合物的形成，多相流体在管道中稳定的流动。在水合物形成的同时蜡也会在水合物颗粒上结晶，而且冷流技术管壁和中心流体温度温差不大，蜡不会在管壁沉积，管壁结蜡的风险也比较小。

Claims (3)

1.一种基于热流物流匹配的冷流系统，包括设置在油井或气井(1)内的井筒(3)，在井筒(3)内设置有与井口(4)相连通的油管(2)，其特征在于：井口(4)通过输送管路与冷流系统(5)相连接，冷流系统通过运输管道(5-9)与收集装置(6)相连；

所说的冷流系统(5)包括与输送管路输出油或气(5-1)的输油管路相连通的换热器(5-2)，换热器(5-2)的输出端依次通过反应器(5-3)和分离器(5-4)与输送管路相连通，所说的分离(5-4)的输出端还通过回输管线(5-5)及回流泵(5-6)与反应器(5-3)的输入端相连通；

所说的井口(4)与冷流系统(5)之间的输送管路上还设置有匹配系统(8)，且在油管(2)内还设置有与匹配系统(8)相连接的传感器(7)；

所说的匹配系统(8)包括控制中心(8-3)，控制中心(8-3)的输入端与输入设备(8-1)和传感器(7)相连接，输入设备将各油井或气井的物质组成及其成分输入到控制中心(8-3)，传感器(7)将测量的实时压力、温度等数据输入到控制中心(8-3)，控制中心(8-3)的输出端连接有用于控制各油井或气井流量的输出设备(8-2)。

2.根据权利要求1所述的基于热流物流匹配的冷流系统，其特征在于：所说的分离器(5-4)的输出端通过输送管路还连接有混合器(5-8)，混合器(5-8)的输入端还与湿气管路(5-7)相连通。

3.根据权利要求1所述的基于热流物流匹配的冷流系统，其特征在于：所说的冷流系统(5)中经输送管路输出的气在进入换热器(5-2)之前的管路上还设置有节流装置(5-10)。

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