CN101563406A - 用于缓解油和气体系统中的流体安全问题的泡沫 - Google Patents
用于缓解油和气体系统中的流体安全问题的泡沫 Download PDFInfo
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Abstract
本发明通常涉及缓解烃流体(特别是其中此类烃流体是以气体为主的)的输送管道中出现的流体安全问题的方法和系统。通常，此类方法和系统依赖于泡沫的形成和随后通过连接的输送管道输送泡沫。
Description
发明领域
本发明通常涉及油和气体流体安全问题，并具体涉及通过形成泡沫改进烃流体管线中的流动特征的方法和系统。
发明背景
流体安全
流体安全在通过管线输送烃基流体中是相当重要的。流体安全问题包括沉积物(例如沥青质、蜡、水合物等)和，特别是在以气体为主的烃流体的情况下，气相与液相之间的滑移。该后者问题对压力损失和严重的节涌问题至少负部分责任，并且它们有助于砂的沉积。
尽管本领域中不存在全面解决所有上面列出的流体安全问题的通用方法，已经开发出部分解决这些问题的方法。例如，“清管器”用来清扫和检查管线。此外，已经使用表面活性剂降低节涌(见例如Kolpak等人，美国专利序号5,564,456)。然而这些方法，只是部分解决了流体安全问题和/或需要完全或部分关闭系统-因此降低整体效率。
泡沫
已经很好地建立了泡沫经过管道的流动。见例如
等人的″Self-lubricated transport of aqueous foams in horizontalconduits，″Int.Journal of Multiphase Flow，第29卷，第1817-1831页，2003年；Calvert，″Pressure drop for foam flowthrough pipes，″Int.Journal of Heat and Fluid Flow，第11卷(3)，第236页，1990年；Calvert等人的″A rheological model fora liquid-gas foam，″Int.Journal of Heat and Fluid Flow，第7卷(3)，第164页，1986年；Wiggers等人的″The flow of foam filmsin vertical tubes，″Trans.of the Inst.of Chem.Engineers，第78卷，第773-778页，2000年。此外，Chartier等人，美国专利序号6841125，描述了清洁和将发泡的缓蚀剂应用于铁表面的方法，该方法重点用于防火系统(例如洒水灭火系统)。然而已经在石油工业中使用泡沫帮助移出低压气井中的水并且降低钻探泥浆的静压头低于断裂梯度，同时保留移出钻屑的能力。申请人没有意识到用于缓解生产管线中的流体安全问题的任何泡沫应用。
鉴于前文所述，使用泡沫缓解此类上述流体安全问题的方法(即泡沫流体法)是非常有用的-尤其是其中此类方法有利于均匀流动并降低压力损失、消除节涌问题、减少液体存量、并改进多种化学处理和/或添加剂的应用。
发明简述
本发明通常涉及用于缓解烃流体的管道输送中出现的流体安全问题的方法和系统(见上文)。通常，此类方法和系统依赖泡沫的形成和随后通过连接的输送管道或管线输送泡沫。
在一些实施方案中，本发明涉及包括以下步骤的方法：(a)产生为油基(烃基)泡沫和/或水基泡沫的泡沫；(b)通过输送管道输送所述泡沫一段距离，其中所述输送管道用于烃流体；和(c)使所述泡沫在被输送后消泡。一般地，此类烃流体是以气体为主的，但在一些实施方案中它们可以是以液体为主的。
在一些此类方法的实施方案中，根据有关应用的具体特性和条件，所述输送管道可以被泡沫完全或仅部分填充。完全填充的管道确保沿管线的均匀活塞流状态，而间歇性的泡沫活塞流(plugs)可以比单独的气体更有效地从管线中清除液体，从而导致管线中更少的液体存量和更低的压力损失。此外，部分填充的管道改进了系统的流动图-从而提高管道中液体的表观体积。
在启动操作中，泡沫的形成允许更有效地除去可能沿管线积累的冷凝物。此外，在停车操作中，发泡允许特定应用/过程所必需的任何抑制剂的均匀分散和混合。
在一些实施方案中，本发明涉及通过输送管道输送泡沫的系统，即实施上述方法的系统，所述系统包括：(a)用于输送烃流体(例如以气体为主的烃流体)的输送管道；(b)用于产生泡沫的装置，其中所述泡沫是烃基泡沫或水基泡沫；(c)用于通过所述输送管道输送所述泡沫一段距离的装置；和(d)在所述泡沫沿输送管道输送后失稳或“破坏”所述泡沫的装置。
上述这类方法和系统通常提供比现有的方法有很大改进的流体安全，尤其对于以气体为主的烃流体的管道输送以及它们在解决流体安全问题中更普遍的应用性。
以上描述相当广泛地概括了本发明的特征以便可以更好地理解后面的发明详述。下文描述将本发明的其它特征和优点，它们形成本发明的权利要求的主题。
附图简述
为了更完整地理解本发明以及其优点，参考以下结合所附的附图的描述，其中
根据本发明的一些实施方案，图1以分步的方式描述了泡沫流体法。
根据本发明的一些实施方案，图2以流程图的形式描述了进行所述泡沫流体法的相当普遍的系统。
图3描述了用于实施所述泡沫流体法的系统，其中所述发泡步骤原位进行，和
图4描述了用于实施所述泡沫流体法的系统，其中所述发泡步骤在辅助的侧线物流中进行。
发明详述
正如上面提到的，本发明通常涉及用于缓解烃流体的管道输送中出现的流体安全问题(例如形成节涌)的方法和系统。通常，此类方法和系统依赖泡沫的形成和随后通过连接的输送管道输送泡沫。
本文规定的术语“流体”指的是易于流动或遵从其容器的轮廓或边界的物质(作为液体和/或气体)，并且它适合于流动。
本文规定的术语“以气体为主的”指的是它们的流动受气体动力学或气体流动控制的流体。一般地，这涉及其中气体占该流体体积的至少20体积％的流体。相反，“以液体为主的”的流体指的是其中所述流体的流动受液体组分控制的流体。
本文规定的术语“泡沫”或“泡沫”指的是通过捕集物质基体中的许多气体气泡而形成的物质，例如流体。可以认为此类泡沫流体是由连续的液相和不连续的气相(即气泡)形成的悬浮体。
方法的实施方案
参考图1，在一些实施方案中，本发明涉及包括以下步骤的方法：(步骤101)产生选自油基泡沫和/或水基泡沫的泡沫；(步骤102)通过输送管道输送所述泡沫一段距离，其中所述输送管道用于输送烃流体；以及(步骤103)使所述泡沫在被输送后消泡。该方法通常代表本文给出的“泡沫流体法”。此外，如此输送的烃流体一般是以气体为主的。
通常，所述泡沫产生自泡沫前体。在一些目前考虑的实施方案中，所述泡沫包括由管道输送的烃流体。即，所述烃流体作为泡沫前体。在一些这样的实施方案中，全部或部分烃流体至少部分作为泡沫在连接的管线中输送。
在一些此类上述泡沫流体过程或方法中，产生泡沫的步骤(即发泡)和/或对所述泡沫进行消泡的步骤在线或原位完成。在某些或其它实施方案中，所述发泡和/或消泡步骤在辅助的侧线物流中进行，并且在发泡以后被引入到主物流中和/或在消泡之前被移出。
在一些实施方案中，产生泡沫的步骤包括使预发泡组分穿过提供湍流的管道区域。在一些或其它实施方案中，产生泡沫的步骤包括剧烈(例如机械或水力)搅动。在一些或其它实施方案中，产生泡沫的步骤利用发泡剂，例如但不限于表面活性剂、表面活性试剂(surfaceactive agents)、起泡剂、皂、固体颗粒等。示例性的此类发泡剂包括但不限于磺酸盐、胺、醇等。在所有此类实施方案中，所述发泡可以连续地或间歇进行。
在一些此类上述方法实施方案中，在产生泡沫的步骤过程中引入添加剂。在一些此类实施方案中，此类添加剂包括但不限于以下的一种或多种：缓蚀剂、减阻剂、水合物抑制剂和类似此类的物种。在一些此类实施方案中，所述泡沫强化了此类添加剂在输送管道中的分布和应用。
关于消泡或使泡沫失稳的步骤，该步骤可以包括主动和/或被动子过程。即，可以通过主动打破泡沫或允许泡沫自己破裂来进行所述步骤。
系统的实施方案
参考图2，说明性的一般系统200，在一些实施方案中本发明通常涉及用于通过输送管道输送泡沫的系统，所述系统包括：输送烃流体的输送管道(201)；产生选自烃基泡沫、水基泡沫和它们的组合中的泡沫的装置(202)；通过输送管道输送所述泡沫一段距离的装置(203)；和在输送所述泡沫后在输送管道内打破泡沫的装置(204)。对于以上方法的实施方案，用所述系统输送的此类烃流体通常是以气体为主的。
对应于相关方法的实施方案，在一些此类系统的实施方案中，产生泡沫(即由装置202提供的发泡)可以原位进行或在侧线物流中进行。在后者的情况下，此侧线物流一般与所述输送管道以流体连通。此外，一般有将所述泡沫引入到输送管道201中的装置，其中此类装置一般是注射器。在所有这些实施方案中，所述发泡可以连续进行或间歇进行。
在一些此类上述系统的实施方案中，用于产生泡沫的装置202包括选自机械混合、湍流和它们的组合中的搅拌。因此，在一些此类实施方案中，将机械混合器和/或用于引入湍流的管道区域集成到所述系统中。适合引起湍流的区域包括但不限于在井孔或提升管中的垂直流动；穿过混合器、阀、节流口和/或泵的流动；和经过适当尺寸的节流的流动。在一些或其它实施方案中，所述产生泡沫的装置包括加入发泡剂，例如但不限于表面活性剂、表面活性试剂、起泡剂、皂、固体颗粒等。
如上所提到的，在一些实施方案中，系统200包括引入泡沫的装置。可以通过以下的任意一种方式将发泡剂引入到多相物流中：纯的或被稀释后直接注入到多相物流中，纯的或被稀释后注入到液体或气体的单独的侧线物流中，纯的或被稀释后与额外的注入气体一起注入，或作为预混合的浓缩泡沫。
在一些实施方案中，上述系统还包括任选的将添加剂引入到泡沫中的装置(205)。一般此类添加剂包括但不限于以下的一种或多种：缓蚀剂、减阻剂、水合物抑制剂和类似此类的物种。
在一些实施方案中，除去所述泡沫的装置204包括消泡，其可以包括加入消泡剂(例如硅物种，例如聚二甲基硅氧烷)。与发泡类似，该消泡可以在通过管道输送所述泡沫之后在输送管道201中进行或在辅助的侧线物流中进行。输送之后，可以通过应用以下一种或多种使所述泡沫失稳或以其它方式消泡：稀释、化学消泡剂、加热、机械力(例如通过喷嘴、搅拌器、旋流等的剪切力和体积力)。
在一些上述系统的实施方案中，系统200还包括监测泡沫形成和质量的装置。此类监测可以包括但不限于监测以下：密度、压力梯度、电特征(例如电阻)、复合电介质等。
存在许多关于上述方法和系统的实施方案和对所述实施方案的改变。简言之，此类方法可包括经过多种方法原位或在侧线物流中产生的油基或水基泡沫，并且所述发泡/消泡可以是连续的或间歇的。然而，所有此类方法涉及通过管道输送所述泡沫，其中所述管道用于输送包括烃和/或由生产系统产生的水在内的流体。在一些实施方案中，此类泡沫包括烃流体和水。此外，所述消泡步骤可以是任选的。类似地，上述系统适合于实施任何这些前面提到的方法的实施方案。
优点
在烃流体的管道输送中的泡沫流体有很多优点，以下描述一些这样的优点。
在一些实施方案中，泡沫流体法会冲洗连接的管线中积累的液体。因为该液体通常是富含水的，因此，可以减少或甚至消除缓蚀剂的使用以及它们的对应的应用步骤。在某些情况下，该“冲洗”会减少或者甚至消除清管(亦称为“球化”(aka“sphering”))管线的需要并且避免伴随的生产混乱。此外，可以消除环路清管管线的需要。
与上面描述的冲洗类似，所述泡沫流体法通常在减少砂的沉淀和从管线中除砂方面更有效。如在上面提到的情况下，这也导致清管操作和相关设备的减少。
在一些实施方案中，上游产生泡沫可以消除提升管中严重的节涌并大大降低到下游设备(例如多相泵、分离器等)的流量的波动。这意味着可以使用更简单、更紧凑的系统来处理所述流体，因为不需要处理大比例波动的能力和不需要单相流阶段。
在一些实施方案中，在泡沫流体中，气相和液相之间的滑移被最小化甚至被消除了，并且摩擦、加速和静压力损失全部可被减少。因此，这会导致更低的储罐背压-很可能允许提高生产速率和总可回收的储量。
在一些实施方案中，化学处理，例如水合物抑制剂(既是热力学抑制剂又是低剂量水合物抑制剂)、缓蚀剂和减阻剂会通过泡沫流动在内圆周周围和沿管道的长度更均匀地分布。这再次减少对清管操作的需要。此外，设想泡沫流体是在连续的或间歇的过程中有效的化学物质分布器。
在一些实施方案中，当泡沫流体经过管线内的水合物形成区时，更容易在泡沫基体中形成抗团聚的水合物晶体并继续与泡沫一起流动以避免沉积和堵塞。
提供以下实施例说明本发明的具体实施方案。本领域技术人员应当理解的是，以下实施例中公开的方法仅代表本发明示例性的实施方案。然而，本领域技术人员应当根据本公开内容理解到：所描述的具体实施方案中可以进行很多变化，并且仍然获得相同的或类似的结果而不背离本发明的精神和范围。
实施例1
根据本发明的一些实施方案，该实施例用来说明原位(即在线)产生泡沫的方法和对应的系统。
参考图3，该图描述了示例性的系统300，以气体为主的烃流体流经输送管道301，其中在到达304时通过装置302产生泡沫。在该实施方案中，所述泡沫包含烃流体并且所述泡沫产生装置是可通过阀303与所述流体分开的，以便允许烃流体的连续或间歇发泡。在该实施方案中，使用混合装置和由装置302提供的发泡添加剂在区域304中在线进行发泡。然后，所述泡沫运动到区域307并在其中通过消泡装置305消泡，该消泡装置305是可通过阀306与区域307分开的。在该实施方案中，通过由消泡装置305添加消泡剂、稀释剂、热量和/或机械力使发泡的烃流体失稳。然后在出口308收集消泡的烃流体。
实施例2
根据本发明的一些实施方案，该实施例用来说明在辅助的侧线物流中产生泡沫并随后注入到主输送管线中(即主物流)的方法和对应的系统。
参考图4，该图描述了备选的示例性的系统400，以气体为主的烃流体流经输送管线401，其中在到达阀402时将其导入辅助的侧线物流403中并且通过发泡装置404发泡。在该实施方案中，经由发泡装置404向烃流体中加入发泡剂以产生烃基泡沫。所述泡沫然后通过阀405再次进入输送管道401中并且通过该管道输送一段距离直到到达阀406。到达阀406时，将所述烃基泡沫导入侧线物流407中并通过消泡装置408消泡。在该实施方案中，经由消泡装置408引入消泡剂。经过消泡，所述烃通过阀409导回到输送管线401中，于是在出口410处从所述管道中回收烃。
或者，申请人注意到，当所述发泡在侧线物流403中进行时，所述消泡可以在线进行，与实施例1中的一样。类似地，实施例1的消泡可以在辅助的侧线物流中进行。
本文参考的所有专利和出版物在此引入作为参考，达到与本文不矛盾的程度。可以理解的是，某些上述结构、功能和上述实施方案的操作对于实践本发明不是必需的，并且仅仅是为了示例性的一个或多个实施方案的完整性而包括在该描述中。此外，可以理解的是，上述参考的专利和出版物中陈述的具体的结构、功能和操作可以结合本发明进行实践，但是它们对于其实践不是必需的。因此可以理解的是，可以用不同于所专门描述的其它方式实践本发明而实际上不背离所附的权利要求中定义的本发明的精神和范围。
Claims (20)
1.一种方法，包括以下步骤：
a)产生选自烃基泡沫、水基泡沫和它们的组合的泡沫；和
b)通过输送管道输送所述泡沫一段距离，其中所述输送管道用来输送烃流体。
2.权利要求1的方法，其中所述产生泡沫的步骤包括使泡沫前体通过提供湍流的管道区域。
3.权利要求1的方法，其中所述产生泡沫的步骤包括剧烈搅拌泡沫前体。
4.权利要求1的方法，其中所述产生泡沫的步骤包括注入选自表面活化剂、表面活性试剂、起泡剂、皂、固体颗粒和它们的组合的发泡剂。
5.权利要求1的方法，其中在所述产生泡沫步骤的过程中引入添加剂。
6.权利要求5的方法，其中所述添加剂选自缓蚀剂、减阻剂、水合物抑制剂和它们的组合。
7.权利要求1的方法，其中以选自连续产生、间歇产生和它们的组合的方式完成所述产生泡沫的步骤。
8.权利要求1的方法，还包括在所述泡沫被输送之后使其消泡的步骤。
9.权利要求1的方法，其中原位进行所述产生泡沫的步骤。
10.权利要求1的方法，还包括将所述泡沫引入到所述输送管道的步骤。
11.通过输送管道输送泡沫的系统，所述系统包括：
a)用于输送烃流体的输送管道；
b)用于产生选自烃基泡沫、水基泡沫和它们的组合的泡沫的装置；
c)用于通过所述输送管道输送所述泡沫一段距离的装置；和
d)在所述泡沫被输送后将其失稳的装置。
12.权利要求11的系统，其中所述产生泡沫的装置包括添加所述发泡剂，所述发泡剂选自表面活化剂、表面活性试剂、起泡剂、皂、固体颗粒和它们的组合。
13.权利要求11的系统，其中所述产生泡沫的装置包括选自机械混合、湍流和它们的组合的搅拌。
14.权利要求11的系统，其中原位产生所述泡沫。
15.权利要求11的系统，还包括产生所述泡沫的侧线物流，其中所述侧线物流与所述输送管道以流体连通。
16.权利要求15的系统，还包括用于将所述泡沫引入到所述输送管道中的装置。
17.权利要求11的系统，还包括向所述泡沫中引入添加剂的装置。
18.权利要求17的系统，其中所述添加剂选自缓蚀剂、减阻剂、水合物抑制剂和它们的组合。
19.权利要求11的系统，其中所述用于除去所述泡沫的装置包括添加消泡剂。
20.权利要求11的系统，其中仅间歇地将所述泡沫引入到所述输送管道中。
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