CN102345453B - 用于分离材料流成分的海底机器和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于分离材料流成分的海底机器和方法，具体而言，本发明的系统和方法包括利用海底机器来分离从海底油井接收的混合物。该海底机器包括：腔室，其构造成通过重力接收和分离从海底油井接收的混合物。该腔室包括：外壳和活塞，外壳构造成在分离期间容纳从海底油井接收的混合物，活塞设于外壳的内部并且将外壳分成顶部区段和底部区段。活塞构造成在第一方向上沿着轴线移动，以便在顶部区段产生用于从海底油井接收混合物的更多空间，并且在分离已经发生之后在相反的第二方向上沿着轴线移动，以从腔室中除去混合物。

Description

用于分离材料流成分的海底机器和方法

技术领域

本文公开的主题的实施例一般地涉及将介质流分离成成分，且更具体地说涉及分离来自海底井口的流和压缩流的气体成分。

背景技术

当今在我们社会的许多部分都在使用石油和天然气。例如，石油是用于给大部分当今运输提供燃料的基础，并且是许多产品制造领域，例如塑料制造领域中的成分，而天然气可用作加热源和满足其它能量需求的来源。因为我们的社会随着时间流逝已经消耗了大量的石油和天然气，所以较容易获得的这些碳氢化合物的供给已经减少了，造成对更多石油和天然气的搜寻扩展至更具挑战性的环境。一种此类挑战性的环境是海底环境。

当前在某些深度可以从海底油井提取石油和气体。在图1中显示了此过程的概览。图1显示了海底油井102，混合物流从海底油井流向分离器104。此混合物可包括从海底油井102中流出的物理地混合在一起的石油、气体、泥浆、水以及其它材料。分离器104将混合物分离成各种成分，例如气体以及其它材料。气体然后被传送至压缩机106，其压缩气体并将气体传送给各种设施108，例如储存设施。

目前存在用于分离出流的成分的许多不同类型的分离器104。分离器104的一个示例是如图2中所示的离心分离器104。最初，气体/液体流202进入离心分离器104。气体/液体流202通过涡流元件204并进入分离腔室206，其然后通向气体提取208。此过程的结果是两个分离的流，无液体的气体流210和分离的液体流212。其它类型的分离器104包括挡板式分离器、静电聚结器和磁力分离器。

如之前所述，海底环境是用于获得石油和气体的挑战性的环境。另外，在此类环境中以成本有效的方式使制造设备安全且有效地运转将是持续的挑战。因此，用于改善海底石油开采操作的系统和方法是所期望的。

发明内容

根据一个示例性实施例，有一种用于分离从海底油井接收的混合物的海底机器。该海底机器包括：腔室，其构造成接收并通过重力分离从海底油井接收的混合物。该腔室包括：外壳和活塞，外壳构造成在分离期间容纳从海底油井接收的混合物，活塞设于外壳的内部并且将外壳分成顶部区段和底部区段。活塞构造成在第一方向上沿着轴线移动，以便在顶部区段产生用于从海底油井接收混合物的更多空间，并且在分离已经发生之后在相反的第二方向上沿着轴线移动，以用于从腔室除去混合物。海底机器还包括：流体地连接在顶部区段上的压缩机区段，压缩机区段构造成接收、压缩和朝着陆上设施推动气体。

根据另一示例性实施例，有一种用于在海底机器中分离从海底油井接收的混合物的方法。该方法包括：在腔室中接收和分离从海底油井接收的混合物；在分离期间使从海底油井接收的混合物容纳在外壳中；使活塞在第一方向上沿着轴线移动，以便在腔室中产生用于接收混合物的更多空间，并且在分离已经发生之后使活塞在相反的第二方向上沿着轴线移动，以从腔室中除去混合物；在压缩机区段处接收和压缩气体；并朝着陆上设施推动压缩气体。

根据另一示例性实施例，有一种用于分离从海底油井接收的混合物的海底机器。该海底机器包括腔室，其构造成从海底油井接收混合物，并通过腔室内海水的压力喷出混合物。

附图说明

附图显示了示例性实施例，其中：

图1描绘了用于使混合物从海底油井流向陆上设施的设备；

图2显示了离心分离器；

图3显示了根据示例性实施例的用于使混合物从海底油井流向陆上设施的设备；

图4显示了根据示例性实施例的用于使混合物从海底油井流向陆上设施的一种备选设备选项；

图5显示了根据示例性实施例的海底机器；

图6显示了根据示例性实施例的U形管塔、压缩机和陆上设施；

图7显示了根据示例性实施例的从海底油井接收混合物的海底机器阵列；

图8描述了根据示例性实施例的在分离循环的不同部分操作的海底机器阵列；且

图9显示了根据示例性实施例的用于在海底机器中分离从海底油井接收的混合物的方法的流程图。

具体实施方式

以下参照附图描述示例性实施例。不同图纸中的相同的标号标识相同或相似的元件。另外，图纸并不一定按比例绘制。同样，以下详细描述并不限制本发明。相反，本发明的范围由所附权利要求来限定。

整个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的表述意味着结合实施例所述的特殊的特征、结构或特性包括在本公开主题的至少一个实施例中。因而，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”出现在整个说明书的各个地方并不一定都是指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中可将特定的特征、结构或特性以任何合适的方式组合。

如发明背景部分中所述，从海底环境中的海底油井获得石油和/或气体是挑战性的。根据示例性实施例，如图3中所示，存在用于从海底油井输送气体成分的示例性构件。图3显示了海底油井302，混合物从海底油井302流向海底机器304，混合物可包括物理地混合在一起的石油、气体、泥浆、水以及其它材料或物质。海底机器304可定位在相对靠近海底油井302的海底。海底机器304从混合物的其它成分中分离出气体，压缩该气体，并向陆上设施306上传送气体。在一种应用中，分离只通过重力来进行，即不使用机器或装置主动地执行该分离。在此应用中，分离通过简单地容许混合物在重力影响下分离本身来实现(因为混合物中的气体、流体和泥浆具有不同的密度)。根据一个备选的示例性实施例，分离器和压缩机功能可如图4中所示分开，该示例性实施例包括海底油井302、海底机器402(其执行来自海底油井302的流分离)、压缩机404和陆上设施306。

根据示例性实施例，海底机器304可用于将混合物分离成各种成分，例如气体成分、液体成分和泥浆成分。一个示例性海底机器304示出于图5中并且现在将进行描述。海底机器304包括腔室502和压缩机区段504，腔室502用于接收和分离来自海底油井302的混合物，而压缩机区段504用于压缩所接收的混合物的气体成分。腔室502可具有5-10米范围内的高度，然而，根据其它示例性实施例可使用其它高度。腔室502包括从油井510接收混合物的混合物进口区段506，和接收海水的海水进口区段508。所接收的海水处于与海水进口区段508离水体(例如海洋)的表面的深度相关的压力下，海底机器304定位在该水体中。在需要时，该海水压力容许在腔室502内部保持恒定的压力。

根据示例性实施例，腔室502具有外壳526，外壳536包括顶部区段514、底部区段516和活塞512，活塞将这两个区段分隔开，并且可沿着轴线向上或向下移动(如双箭头518所示)。活塞512的直径可在几米(例如1至10米)的范围内，并且/或者可依据腔室502的高度缩放。

腔室502可通过使混合物进入腔室502的顶部区段514而分离从油井510接收的混合物。此材料进入流处于一压力下，例如油井的压力，并且将压力应用于活塞512上，其迫使活塞512朝着腔室502的底部移动。一旦顶部区段514处于其期望的容量，混合物的进入流即被停止。例如，可添加限位挡块525，以停止活塞512的运动。其它装置可用于取得相同的结果。然后混合物随着时间(例如几小时)流逝通过重力进行分离，即气体去向顶部区段514的顶部，固体去向顶部区段514的底部，而液体停止在气体和固体之间。根据示例性实施例，如所示可通过可选的声音/振动模块528将声音和振动引入腔室502，以加速分离过程，从而缩短分离循环时间。另外，可对来自油井510的混合物执行预压缩，以有助于从流中分离出湿含量。

根据示例性实施例，海底机器304还具有四个出口。气体提取出口520定位在腔室502的顶部，并将腔室502连接到压缩机区段504上。另外，在合适的时候，气体提取出口520容许气体从顶部区段514通向压缩机区段504。液体提取出口522容许在发生分离之后从顶部区段514中除去液体。泥浆提取出口530容许在发生分离之后从顶部区段514除去泥浆(以及其它固体/半固体)。气体、液体和泥浆的去除是通过沿向上的方向移动活塞512来实现的。因而，在一种应用中，出口设置使其对于顶部区段514的给定容积只与一种成分(气体、液体、泥浆等)相对应。底部区段516用于容纳海水，以用于在需要时使活塞512沿向上的方向移动。另外，底部区段516包括海水提取出口524，其用于当需要活塞512沿向下的方向移动时除去海水。

一旦混合物已经分离，就可使活塞512沿向上的方向移动。这通过容许海水通过海水进口508进入而发生。海水处于与水深相关的压力下，并且该压力施加于活塞512的底部上。因为此应用的水压力大于顶部区段514中由混合物所应用的压力，所以活塞512沿向上的方向移动，其迫使各种分离的混合物成分，例如泥浆、液体和气体通过它们相应的提取出口而离开顶部区段514。

另外，如果需要，可引入其它机械装置以协助活塞512的移动。活塞512的向上运动可通过控制海水进口而进行限制。另外，如果需要额外的头部压力，可在海水进口508中引入泵送系统。图5中没有编号和显示的各种箭头显示了上述各种流和成分的方向性流动。

根据其它示例性实施例，阀门和泵的各种组合可按秩序放置在各种区域，以有助于上述示例性实施例。例如，阀门可放置就位以只容许任何上述流在需要时的进入和离开，即，阀门可对进入腔室502的各个出口/入口放置就位。另外，根据其它示例性实施例，可添加泵，以帮助任何流的运动，从而促进流，例如泥浆、液体和气体的去除，和/或帮助活塞512的运动。如果海水进口508被阀门关闭，那么可能不需要泵，并因而可以使用来自油井的混合物的压力使活塞向下移动并提取水(依赖于下游压力)。然而，根据其它示例性实施例，泵可用于促进水提取本身。

各种进口泵和提取泵在图5中总体显示为进口泵532和提取泵534(虽然泵532和534显示为连接在腔室502的底部上，但它们根据需要可定位在其它位置，例如与出口或进口成直线)。

根据示例性实施例，压缩机504是离心压缩机，然而根据备选的示例性实施例，可使用其它类型的压缩机。另外，根据示例性实施例，虽然图5中中显示为单个海底机器304，但是分离腔室502和压缩机504可以是如图4中所示的独立单元。

根据另一示例性实施例，可使用不同型式的海底机器来分离混合物，如图6中所示的U形管塔602所示。U形管塔602可从进口606和608接收来自海底油井302的混合物。海水在需要时通过海水进口618进入，然而还可使用其它液体/材料。海水用作U形管塔602的两个塔柱部分之间的隔断。在分离时，石油通过任一石油提取出口610或612而离开，并且气体通过任一气体提取出口614或616而离开。然后通过压缩机604压缩气体，并继续传送到陆上设施306上。泥浆/固体可与液体一起被除去。然而，根据其它示例性实施例，可为泥浆/固体提供另一出口。另外，压缩机604可以是U形管塔602的一部分，或者是一件独立的设备。

在操作中，U形管塔602用管道的底部区段620中一定量的海水(或其它液体/材料)开始操作。进口/提取出口610,612,614和616是关闭的。进口606和进口608是打开的，其容许材料，例如石油/气体以及其它物质混合物进入U形管塔602的第一垂直区段622和第二垂直区段624。当所需数量的材料已经进入U形管塔602中时，关闭进口606和608。在已经过去足以发生分离的时间，例如几小时之后，打开进口608以容许更多的油井混合物进入垂直区段622。这是如图6中所示的示例性结构。然后打开提取出口614和610，以容许气体和石油基于由通过进口608进入的油井混合物对海水所施加的作用力而离开，该作用力然后分别应用于石油区段和气体区段。当已经提取了气体和石油时，关闭进口608，以容许该过程循环重新开始(在U形管塔602的另一侧)。

根据示例性实施例，如图7中所示，海底油井302可供给多个海底机器304(或U形管塔602及相关联的压缩机604)。这种具有可变数量的海底机器的能力容许将分离材料的连续流向陆上设施306传送(如图3中所示)。另外，其根据需要容许模块化。根据一个示例性实施例，10-15个单元可成阵列以支持单个海底油井302的输出。图8中显示了八个海底机器的阵列示例，其中显示了针对各个海底机器304的相对活塞512的位置。根据示例性实施例，在其中六个海底机器304中，活塞512已经开始向上或向下移动，而在其中两个海底机器304(最左边和最右边的海底机器304)中，活塞512处于其最下面的位置，显示分离仍在发生，因而确保了朝向陆上设施306的整体连续输出。另外，虽然该构造显示为U形管塔602，但是依据特殊的要求可使用其它构造以创建相似的过程。

根据示例性实施例，如图9中的流程图中所示，有一种用于在海底机器304中分离从海底油井302接收的混合物的方法。该方法包括步骤902、步骤904、步骤906、步骤908和步骤910，在步骤902中，在腔室中接收和分离从海底油井接收的混合物；在步骤904中，使分离期间从海底油井接收的混合物容纳在外壳中；在步骤906中，至少通过来自油井的混合物压力使活塞在第一方向上沿着轴线移动，以便在腔室中产生用于接收混合物的更多空间，并在分离已经发生之后至少通过海水压力(与海水进口区段508离水体表面的深度相关，其中海底机器304定位在该水体中)使活塞在相反的第二方向上沿着轴线移动，以从腔室中除去混合物，其中活塞设于外壳的内部，并将外壳分成顶部区段和底部区段；在步骤908中，在压缩机区段处接收和压缩气体，压缩机区段流体地连接在顶部区段上；并且在步骤910中，朝着陆上设施推动压缩的气体。

该方法还可包括以下其中一个或多个步骤：在第一进口处接收来自海底油井的混合物，第一进口连接在顶部区段上并且设置在腔室的顶端附近；在第二进口处接收海水，第二进口连接在底部区段上并设置在腔室的底端附近；使气体穿过第一提取出口，第一提取出口连接在腔室的顶部区段和压缩机区段上，第一提取出口设置成穿过腔室的顶端；通过第二提取出口使液体离开腔室，第二提取出口设置在第一提取出口下面并连接在顶部区段上；通过第三提取出口使泥浆离开腔室，第三提取出口设置在第二提取出口下面并连接在顶部区段上；通过第四提取出口使海水离开腔室，第四提取出口设置在第三提取出口下面并连接在底部区段上，靠近腔室的底端；通过声音振动模块产生声音、振动或某些声音和振动的组合以减少使所接收的混合物发生分离所需要的时间；用泵从腔室提取海水；在分离已经发生之后通过压缩机区段从腔室中提取气体；在分离已经发生之后通过液体提取泵从腔室中提取液体；以及在分离已经发生之后通过泥浆提取泵从腔室中提取泥浆、其它固体和其它半固体。

根据一个示例性实施例，用于分离从海底油井接收的混合物的海底机器包括腔室，其构造成从海底油井接收混合物和海水，并利用腔室内部的海水压力喷出混合物。该机器还可包括活塞，活塞设于腔室内部并将腔室分成第一区段和第二区段，该活塞构造成通过由从海底油井接收的混合物所应用的压力而在第一方向上沿着轴线移动，以便在顶部区段中产生用于从海底油井接收混合物的更多空间，并且当混合物分别从第一区段通过相应的出口分离成液体部分、气体部分和泥浆部分时通过海水压力而在相反的第二方向上沿着轴线移动，从而喷出混合物；第一入口在第一区段中具有第一入口阀门装置，混合物通过该阀门装置而在油井的压力下进入第一区段内部；第一出口在第一区段中具有第一出口阀门装置，混合物通过该阀门装置离开第一区段；第二入口在第二区段中具有海水通过其进入的第二入口阀门装置；并且第二出口在第二区段中具有水通过其离开的第二出口阀门装置。该机器可包括第一出口、第二出口和第三出口，第一出口可构造成将腔室的第一区段和压缩机区段连接起来，以容许混合物的气体部分通过，第二出口构造成使混合物的液体部分离开腔室的第一区段，第二提取出口设置在第一提取出口下面；而第三出口构造成使混合物的泥浆部分离开腔室的第一区段，第三提取出口设置在第二提取出口下面。活塞可移动，从而在第一区段内部提供了在混合物的液体、气体和泥浆部分之间的第一分离。该机器可使活塞移动，从而在第一区段内部提供了混合物的第一压缩。从海底油井接收的混合物可包括物理上混合在一起的两种或更多不同物质。

上述示例性实施例在本发明的所有方面都意图为举例说明性的而非限制性的。因而本发明在详细实施方面能够具有许多变化，其可从包含在本文的细节描述中由本领域技术人员推导衍伸而来。所有此类变化和修改都被认为处于所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内。除非明确地描述，否则本申请的描述中使用的要素、动作或指令都不应被理解为对本发明是至关重要或是必须的。另外，本文使用的用词“一”意图包括一个或多个项目。

本书面说明使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果它们包括权利要求的字面语言内的等效结构元件，那么这些其它示例都属于权利要求的范围内。

Claims (9)

1.一种用于分离从海底油井接收的混合物的海底机器，所述海底机器包括：

腔室，其构造成接收并通过重力分离从所述海底油井接收的混合物，所述腔室包括：

外壳，其构造成在分离期间容纳从所述海底油井接收的混合物，和

活塞，其设于所述外壳内部，并将所述外壳分成顶部区段和底部区段，所述活塞构造成在第一方向上沿着轴线而移动，以便在所述顶部区段中产生用于从所述海底油井接收所述混合物的更多空间，并且在分离已经发生之后，在相反的第二方向上沿着轴线而移动，以从所述顶部区段除去混合物；

压缩机区段，其流体地连接在所述顶部区段上，所述压缩机区段构造成接收、压缩和朝着陆上设施推动气体；和

声音振动模块，其配置成有选择地使用声音、振动或声音和振动的一些组合，以减少使所接收的混合物发生分离所需要的时间。

2.根据权利要求1所述的海底机器，其特征在于，所述海底机器还包括：

第一进口，其连接在所述顶部区段上，并构造成接收来自所述海底油井的所述混合物，所述第一进口设置在所述腔室的顶端附近；和

第二进口，其连接在所述底部区段上，并构造成接收海水，所述第二进口设置在所述腔室的底端附近。

3.根据权利要求1所述的海底机器，其特征在于，所述海底机器还包括：

第一提取出口，其构造成连接所述腔室的顶部区段和所述压缩机区段，以容许气体通过，所述第一提取出口设置成穿过所述腔室的顶端；

第二提取出口，其连接在所述顶部区段上，并构造成使液体离开所述腔室，所述第二提取出口设置在所述第一提取出口的下面；

第三提取出口，其连接在所述顶部区段上，并构造成使泥浆离开所述腔室，所述第三提取出口设置在所述第二提取出口的下面；和

第四提取出口，其连接在所述底部区段上，并构造成使海水离开所述腔室，所述第四提取出口设置在所述第三提取出口的下面，在所述腔室的底端附近。

4.根据权利要求1所述的海底机器，其特征在于，所述海底机器还包括：

泵，其构造成从所述腔室提取海水。

5.根据权利要求1所述的海底机器，其特征在于，所述腔室具有基本上在1.0-10.0米范围内的高度。

6.根据权利要求1所述的海底机器，其特征在于，在分离已经发生之后，所述压缩机区段从所述腔室提取气体。

7.根据权利要求1所述的海底机器，其特征在于，所述海底机器还包括：

液体提取泵，其构造成在分离已经发生之后从所述腔室提取液体；和

泥浆提取泵，其构造成在分离已经发生之后从所述腔室提取泥浆、其它固体以及其它半固体。

8.一种用于在海底机器中分离从海底油井接收的混合物的方法，所述方法包括：

在腔室中接收和分离从所述海底油井接收的所述混合物；

使用配置成有选择地使用声音、振动或声音和振动的一些组合的声音振动模块以减少使所接收的混合物发生分离所需要的时间；

在分离期间将从所述海底油井接收的所述混合物容纳在外壳中；

使活塞在第一方向上沿着轴线移动，以便在所述腔室中产生用于接收所述混合物的更多空间，并在分离已经发生之后使所述活塞在相反的第二方向上沿着所述轴线而移动，以从所述腔室中除去所述混合物，所述活塞设于所述外壳内部，并将所述外壳分成顶部区段和底部区段；

在压缩机区段中接收和压缩气体，所述压缩机区段流体地连接在所述顶部区段上；以及

朝着陆上设施推进压缩的气体。

9.一种用于分离从海底油井接收的混合物的海底机器，所述海底机器包括：

腔室，其构造成从所述海底油井接收混合物和海水，并通过利用所述腔室内部的海水压力而喷出混合物；

所述海底机器还包括声音振动模块，其配置成有选择地使用声音、振动或声音和振动的一些组合，以减少使所接收的混合物发生分离所需要的时间。