DK173571B1 - Indretning til pumpning af et flerfaset fluid - Google Patents

Description

i DK 173571 B1

INDRETNING TIL PUMPNING AF ET FLERFASET FLUID

Indretningen til pumpning af et flerfaset fluid ifølge op-5 findelsen omfatter i kombination en fødeledning for fler-fasefluid, der skal pumpes, og en udløbsledning for fler-fasefluid, der er pumpet, mindst et kammer med et variabelt volumen, der er beregnet til at pumpe flerfaseflui-det. Kammeret er defineret af et topstykke, en cylinder og 10 et stempel. Stemplet kan forskydes i cylinderen langs dennes længdeakse.

Den foreliggende opfindelse angår en indretning til pumpning af et flerfaset fluid og er navnlig beregnet til brug 15 ved produktion af kulbrinter i områder, hvor menneskelig indtrængning er vanskelig om ikke umulig, og som blandt andet nødvendiggør en stor materialepålidelighed.

Opfindelsen angår specifikt produktionen af kulbrinter fra 20 mindst ét hoved for brønde, der er anbragt i en aflejring, såsom en offshore aflejring, hvilke kulbrinter omfatter en under tryk stående flerfaset blanding, der almindeligvis består af gas-kulbrinteholdig væske-vand.

25 Opfindelsen angår endvidere specifikt produktionen af kulbrinter fra mindst ét hoved på brønde, som er anbragt i omgivelser, der er vanskeligt tilgængelige, såsom urskoven.

30 Det er kendt at benytte flerfasede drejelige kompressorpumper, men omkostningerne hertil er meget høje, og deres ydelse er moderat navnlig på grund af store gnidningstab, som er forbundet med den store rotationshastighed og de pumpede voluminer.

35

Indretningen ifølge opfindelsen har i en foretrukken udførelsesform et stempel der omfatter en udsparing med front mod topstykket. Topstykket er forsynet med et modsvarende fremspring, som muliggør, at nævnte fremspring kan trænge DK 173571 B1 2 ind i udsparingen, når stemplet nærmer sig topstykket, idet udsparingen og fremspringet har komplementære former.

Disse komplementær former samvirker og frembringer en fluidstråle, rettet direkte mod mindst en udløbsåbning, så 5 flerfasefluidet kan løbe ud.

Indretningen ifølge opfindelsen muliggør navnlig pumpning af en væskefase og en gasfase i en enkelt ledning, og overflødiggør derfor anvendelsen af en faseseparator og to 10 adskilte ledninger for fremføring af hver for sig pumpede fluider. Indretningen ifølge opfindelsen er endvidere beregnet til pumpning af et flerfaset fluid, der omfatter en dispergeret fast fase, såsom sand eller klippestykker. Fremspringet i topstykket og udsparingen i stemplet danner 15 som nævnt en fluidstråle der er rettet mod mindst en udløbsåbning. Denne fluidstråle har en hastighed der bevirker at der ikke dannes aflejringer fra flerfasefluidet på fremspringet eller i udsparingen.

Indretningen ifølge den foreliggende opfindelse gør det 20 muligt at pumpe flerfasede fluider samtidig med, at der bibeholdes en god ydelse.

Udsparingen og fremspringet kan have tilnærmelsesvis komplementære keglestubformer. Udsparingen og fremspringet 25 kan være anbragt i nærheden af cylinderens akse.

Kammeret kan omfatte en fluidfødeåbning, der er anbragt ved en top af fremspringet. Topstykket kan omfatte mindst to udstrømsåbninger, der er anbragt i tilnærmelsesvis lige 30 stor afstand fra cylinderens akse.

Indretningen kan fordelagtigt anvendes til pumpning af olieudstrømninger, og navnlig ved produktion af disse udstrømninger i vandmiljøer, såsom offshore produktion, vil 35 indretningen være anbragt ved bunden af vandområdet, lige såvel som indretningen fordelagtigt kan anvendes ved produktion til lands i fjendtlige områder.

DK 173571 B1 3

Indretningen ifølge opfindelsen omfatter desuden mindst et motororgan, der kan være en hydraulisk donkraft, beregnet til at forskyde stemplet i cylinderen, og et hus, der omslutter i det mindste det rum, der er bestrøget af stem-5 plet, og som er placeret modstillet kammeret i forhold til stemplet. Huset kan indeholde et gasformigt fluid og være vandtæt.

Huset ifølge opfindelsen kan være lukket og alene stå i 10 forbindelse med fødeledningen eller alene med pumpeledningen. Indretningen ifølge opfindelsen kan omfatte flere pumpekamre, men i et parvis antal.

Figurfortegnelse 15 Opfindelsen vil herefter forklares nærmere ved beskrivelse af en ikke-begrænsende udførelsesform, under henvisning til medfølgende tegninger, hvor fig. 1 viser et partielt snitbillede gennem pumpeindret-20 ningen ifølge opfindelsen, fig. 2 et samlet snitbillede gennem en indretning, der omfatter fire pumpeelementer, og som er anbragt i et pumpemodul, der navnlig er beregnet til undersøisk produktion, og 25 fig. 3 et skematisk diagram til illustration af den hydrauliske styring for pumpeindretningens to donkrafte .

I figur 1 betegner henvisningsbetegnelsen 1 i helhed et 30 første pumpeelement for en indretning ifølge opfindelsen, la vedrører et andet purapeelement for samme indretning, som er identisk med det første element.

Pumpeelementet 1 omfatter et kammer 2, der er afgrænset af 35 et topstykke 3, en cylinder 4 og et stempel 5. stemplet 5 forskydes i cylinderen 4 ved hjælp af en donkraft 6, der er sammenkoblet med stemplet ved hjælp af en stang 7 for donkraften 6 samt en aksel 8. Stemplet omfatter tætningsorganer 9 såsom stempelringe eller læbeforsynede paknin- DK 173571 B1 4 ger, der for eksempel benyttes på slampumpestempler, hvilke tætningsorganer samvirker med cylinderen 4 for at sikre fluidets kompression. Topstykket 3 omfatter et fremspring 10, der er anbragt langs cylinderens akse, og som har en 5 keglestubform, der er tragtformet ved sin basis 10a, og som har en fødeåbning 11 for fluid ved sin top 10b. Føde-åbningen 11 omfatter et sæde, som er dækket af en ventil 12 under fasen for fyldning af kammeret 2 på en sådan måde, at den lader det fluid, der kommer fra en fødeledning 10 13 trænge igennem.

Fluidet trænger ind i kammeret på grund af de trykforskelle, som eksisterer på hver side af ventilen 12, og som er tilstrækkelig til at overvinde ventilens 12 tilbagefø-15 ringsorgan 14. Fluidet som er komprimeret ved en formindskelse af kammerets 2 volumen, strømmer ud fra kammeret 2 gennem fire evakueringsåbninger 15, der er forsynet med kontraventiler 16, der omfatter ventiler 17, som samvirker med sæder, der er fast forbundet med topstykket samt fjed-20 re 18, som sikrer evakueringsåbningernes afspærring under fasen for kammerets 2 fødning. Evakueringsåbningerne 15 er forbundet med en evakueringsledning 19.

Under reduktionen af kammerets 2 volumen vil fremspringet 25 10 trænge ind i en udsparing 20 i stemplet på en sådan må de, at der frembringes en fluidjet, som er rettet mod evakueringsåbningerne 15. De tilnærmelsesvis komplementære og keglestubformede udformninger af udsparingen 20 og fremspringet 10 muliggør dannelsen af en højhastighedsjet mod 30 væggene for stemplets 5 udsparing 20, for topstykket 3 (navnlig dets fremspring 10) og for cylinderen 4 på en sådan måde, at der sker en lettelse af evakueringen af fluidet og fjernelsen af aflejringer som ville kunne aflejres der, såfremt fordelene ved indretningen ikke var tilstede.

35 Den centrale placering af fremspringet 10 og udsparingen 20 muliggør desuden en fordeling af fluidet, så snart det indføres i kammeret, hvilket er fordelagtigt for dets kompression.

DK 173571 B1 5

Donkraften 6 er gennem to åbninger 21 og 22 forbundet med hydrauliske generatorer, der er beregnet til at frembringe donkraftens bevægelser og variationerne i kammerets 2 vo-5 lumen.

Pumpeindretningens element 1 omfatter desuden et hus, der som helhed er betegnet med 23 og som omslutter det rum, der bestryges af stemplet 5, og som i forhold til stemplet 10 5 er modstillet kammeret 2 såvel som det frie rum mellem stemplet og donkraftens 6 krop eller faste del.

Huset 23 står i forbindelse med et tilsvarende hus 23a for pumpeelementet la. Husene 23,23a... for elementerne inde-15 holder et gasformigt fluid, hvor trykket blandt andet er beregnet til at reducere eller endda undgå spild af fler-faset fluid mellem kammeret 2 og huset og/eller til at formindske tykkelsen af huset eller husene 23, 23a... samtidig med at de kan modstå det eventuelle hydrostatiske 20 tryk i det miljø, som omgiver pumpe indretningen. Ved en undersøisk olieudvinding vil dette ydre tryk således kunne svare til det, som er frembragt af en vandsøjle med en højde på 1000 m.

25 På en måde, der ofte er meget fordelagtig, kan dette tryk være dét som hersker i fødeledningen, eller dét som hersker i pumpeledningen.

Huset kan være tilvejebragt med, endda krydset af, den ene 30 eller den anden af disse ledninger. Fluidspild mellem kammeret 2 og huset 23 kan således blande sig med fluid, der er pumpet, eller med fluid, der skal pumpes.

Det er også muligt, at tryksætte huset med et tryk i nærheden af det ydre tryk, imidlertid vil gasspild fra huset 35 mod pumpekammeret gøre det nødvendigt at erstatte gassen.

Denne erstatning nødvendiggør, når indretningen benyttes under vand i en stor dybde, en gasgenerator, som komplice DK 173571 B1 6 rer indretningens funktion samtidig med at dens pålidelighed reduceres.

Figur 2 illustrerer et snit gennem en pumpeindretning, der 5 omfatter fire elementer, og som er anbragt i et pumpemodul, der kan blive neddykket til havbunden for eksempel til en dybde på 100 m.

Pumpemodulet 25 er beregnet til at blive anbragt på en 10 fodplade 2 6 ved hjælp af fire spidse styr, der er fast forbundet med fodpladen, og som samvirker med koniske styr, der er fast forbundet med modulet. Modulets nedsæt-ning på fodpladen styres ved hjælp af styreliner, der er monteret ved toppene af de spidse styr, og som samvirker 15 med de koniske styr.

Ved midten af disse fire spidse styr er der anbragt et forbindelsesstykke 27, hvor igennem der passerer en føde-ledning for pumpeindretningen, og som er i et stykke med 20 brøndhovedet eller en enhed af brøndhoveder og hvor igennem endvidere passerer evakueringsledningen for det pumpede fluid, som igen stiger op til overfladen af vandet direkte eller efter at have gennemløbet en strækning til bunden af vandet. Forbindelsesstykket 27 samvirker med en 25 krave 28, der er fast forbundet med pumpemodulet 25.

Fra kraven 28 fører fødeledningen 13 tilbage til huset 23 i det første pumpeelement. Det pumpede fluid passerer gennem husene 23 og 23b til et tredje pumpeelement, samt for-30 bi en monteringsflange 24 før det gennem ledningen 13 føres mod en fordelingsboks 29, som fordeler fluidet til hver af pumpekamrene.

Det fluid, som en gang er blevet pumpet, forlader de for-35 skellige kamre gennem ledningerne 19 og samles igen i forskellige opsamlingsbokse 30,31, før det, altid gennem evakueringsledningen, føres mod kraven 28 og forbindelsesstykket 27.

DK 173571 B1 7

Pumpemodulet omfatter endvidere en hydraulikcentral 32, en elektrohydraulisk beholder 33, en blød beholder 34 og en elektronikbeholder 35, der alle er anbragt under pumpekam-5 rene mellem donkraftenes kroppe.

Hydraulikcentralen 32 transformerer den elektriske energi, der kommer fra overfladen, til hydraulisk energi, der muliggør forskydningerne af de fire donkrafte (6,6b samt to, 10 der ikke er vist) .

Den elektrohydrauliske beholder 33 sikrer fordelingen af hydraulisk fluid mellem hydraulikcentralen 32 og donkraftene 6,6b og de to, som ikke er vist.

15

Den bløde beholder 34 fungerer som ekspansionsbeholder og som beholder for lagring af hydraulikfluidet.

Den elektroniske beholder 35 omfatter styre- og målekredse 20 for forskellige detektorer og ventiler i pumpemodulet. Beholderen 35 omfatter blandt andet kredse til styring af donkraftenes bevægelser, åbning og lukning af ventiler, elektroniske kredse for detektorer for tryk, temperatur, ydelse og forurening.

25

Den øvre del af modulet omfatter et skjold 36, der sikrer modulets beskyttelse mod nedstyrtning af genstande, såsom borestænger. Skjoldets 36 koniske form gør det muligt at benytte den konkave del 37 som kulbrintefælde til modvirk-30 ning af forurening. Skjoldet 36 er overlejret af et forbindelsesstykke 38, der gør det muligt at vedligeholde og flytte pumpemodulet ved hjælp af et kabel eller ved hjælp af en række stænger. Fastgørelsen af modulets forskellige organer og modulets stivhed er blandt andet sikret ved 35 hjælp af understøtningsrør 39 og etageadskillelser 40,42.

Figur 3 viser skematisk den hydrauliske styring af to donkrafte 6,6a, der er forbundet med styreindretningen.

8 DK 173571 B1

Indretningens donkrafte er sammenkoblet parvis på en sådan måde, at trykket i huset ikke varierer på grund af volumenvariationer i det fluid, som befinder sig deri, hvilke 5 volumenvariationer er frembragt gennem stemplernes bevægelse i cylindrene.

Hydraulikcentralen omfatter en hydraulisk højtryksgenerator 50 med en variabel ydelse, men som virker ved konstant 10 ydelse for de produktionsbetingelser, som er givet af det flerfasede fluid. Generatoren 50 frembringer den hydrauliske energi (1 MW) , der er nødvendig for, at pumpe fluidet medens det befinder sig i kompression-evakueringsfasen.

15 Centralen omfatter endvidere en hydraulikgenerator 51 med en variabel ydelse, men som benyttes ved en konstant ydelse for de gældende produktionsbetingelser. Generatoren 51 yder den energi, der er nødvendig for at fylde kamre 67 for tilbageføring af donkraftenes stang, samt en forøgelse 20 af kamrenes volumen.

En fast indstillet hydraulikgenerator 52 tilvejebringer det fluid, der er nødvendig til styring af fordelingen af hydraulisk fluid til donkraftene. Disse tre generatorer 25 50, 51,52 drives af en motor 53, som er anbragt i et rum med samme tryk, som i hydraulikcentralen 32, hvori den befinder sig.

Hver af generatorerne 50,51,52 er forsynet med et filter, 30 der har en sikkerhedsafgrening 50a,51a,52a respektivt, og en differenstrykventil 50b,51b,52b, der begrænser pumpetrykket. Pumpernes aspiration udføres gennem et filter 54, der har en sikkerhedsafgrening i hydraulikcentralens 32 hus, der fungerer som en stiv beholder for hydraulikfluid.

Denne stive beholder er forbundet med en blød beholder 55, der er anbragt i beholderen 34.

35 DK 173571 B1 9

Hver af donkraftene 6,6a omfatter detektorer 56,56a,57,57a til detektering af deres vandring, for eksempel af magnetisk type, og som tillader en indbyrdes styring af donkraftenes bevægelse.

5

Detektorerne 56,56a,57,57a er elektrisk forbundet ved 58 med en styrecentral 59. Centralen 59, som fødes med hydraulisk fluid fra pumpen 52 og en beholder 60, der er anbragt afgrenet fra pumpen, styrer funktionen af fordelere 10 61, 62, 63, 64 gennem en hydraulisk udgang 65.

Fordelerne er af en type med en hurtig omstilling på en sådan måde, at der undgås trykstød, som kan blive frembragt ved ændringerne af donkraftenes bevægelser.

15

Fordelerne bringes skiftevis til at kommunikere med kamrene for hver af donkraftene gennem returledningen 66 til beholderen og enten højtryksgeneratoren 50 eller lavtryksgeneratoren 51.

20

Styrecentralen tilvejebringer fordelernes omstilling, når de to donkrafte har nået afslutningen af deres slag, hvor afslutningen detekteres ved hjælp af detektorerne 56,57,56a,57a.

25 I figur 3 vises skematisk funktionen af styringen under udskydningen af donkraftene 6 og tilbagetrækningen af donkraften 6a, idet donkraftens 6 øvre kammer 67 tømmes gennem returledningen 66 til beholderen, og donkraftens 6 30 nedre kammer 68 fyldes med fluidet fra højtryksgeneratoren 50, medens donkraftens 6a øvre kammer 67a fyldes med fluidet fra lavtryksgeneratoren 51, og donkraftens 6a nedre kammer 68a tømmes gennem raturledningen 66 til beholderen.

35 Når donkraften 6 er fuldstændig udskudt, og donkraften 6a er fuldstændig tilbagetrukket, frembringer styrecentralen en omstilling af fordelerne 61,62,63,64 på en sådan måde, at det øvre kammer fødes af lavtryksgeneratoren 51, det DK 173571 B1 10 nedre kammer udtømmes i returledningen 66, det øvre kammer 67a tømmes i returledningen 66, og det nedre kammer 68a fødes af højtryksgeneratoren 50.

5 Når donkraften 6 er fuldstændig tilbagetrukket, og donkraften 6a er fuldstændig udskudt, omstiller styrecentralen fordelerne 61,62,63,64, der igen befinder sig i den stilling, som er illustreret i figur 3.

10 Returledningen 66 til beholderen er forsynet med et filter 69, der omfatter en sikkerhedsafgrening og en udveksler 70, der er beregnet til at afkøle hydraulikfluidet.

Claims (7)

1. Indretning til pumpning af flerfaset fluid omfattende en fødeledning (13) for tilførsel af flerfasefluidet, en 5 udløbsledning (19) for flerfasefluid, der er pumpet, mindst et kammer (2) , der har et variabelt volumen, og som er beregnet til at pumpe flerfasefluidet, og som er defineret af et topstykke (3), en cylinder (4) og et stempel (5), der kan forskydes i cylinderen (4) langs dennes io længdeakse, kendetegnet ved, at stemplet (5) omfatter en udsparing (20) med front mod topstykket, og at topstykket inkluderer et fremspring (10), som muliggør, at fremspringet (10) kan trænge ind i udsparingen, når stemplet nærmer sig topstykket (3), idet udsparingen (20) og fremspringet 15 (10) har komplementære former, som samvirker og frembrin ger en fluidstråle, rettet direkte mod mindst en udløbsåbning (15), så flerfasefluidet kan løbe ud.

2. Indretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at udsparin-20 gen (20) og fremspringet (10) har tilnærmelsesvis komplementære keglestubformer.

3. Indretning ifølge et af kravene 1 og 2, kendetegnet ved, at udsparingen (20) og fremspringet (10) er beliggen- 25 de nær cylinderens (4) akse.

4. Indretning ifølge et af kravene 1-3, kendetegnet ved, at kammerets fluidfødeåbning (11) er beliggende ved en top af fremspringet (10). 30

5. Indretning ifølge et af kravene 1-4, kendetegnet ved, at topstykket (3) har mindst to udløbsåbninger (15) beliggende ved stort set samme afstand fra cylinderens (4) akse . 35

6. Anvendelse af en indretning ifølge et hvilket som helst af kravene 1-5 til pumpning af olieudstrømninger. DK 173571 B1 12

7. Anvendelse ifølge krav 6 til produktion til lands eller til vands af nævnte udstrømninger, såsom offshore produktion, idet indretninger er anbragt ved bunden af et vandområde eller i et fjendtligt landområde. 5