EA011539B1

EA011539B1 - Система для энергоснабжения подводных установок

Info

Publication number: EA011539B1
Application number: EA200701266A
Authority: EA
Inventors: Атле Харальд Бёрнес; Руне Моде Рамберг
Original assignee: Статойл Аса
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-12-23
Publication date: 2009-04-28
Also published as: NO20050188D0; WO2006075913A1; US7992632B2; BRPI0519820A2; NO322636B1; US20080236810A1; NO20050188L; EP1836375A4; EA200701266A1; EP1836375B1; EP1836375A1

Abstract

Система для энергоснабжения подводных установок и оборудования по производству углеводородов, содержащая предпочтительно теплоизолированный трубопровод (10), внутри которого возможно образование нежелательных гидратов или осаждение парафина, и электрические силовые кабели (12, 31), предназначенные для прямого электрического нагрева трубопровода (10) и имеющие электрическое соединение (36) в окружающем море на каждом конце кабеля питания. Кроме того, силовой кабель (12) дополнительно выполнен с обеспечением подачи по второй цепи трехфазного питания к электродвигателю, находящемуся в узле (11) подводной установки, соединенном с трубопроводом (10), и имеются средства (18, 19) переключения, выполненные с обеспечением возможности образования тремя проводниками (28), образующими силовые кабели (12), параллельных проводников во второй цепи, причем силовые кабели (12, 31) подают энергию для прямого нагрева трубопровода (10).

Description

Настоящее изобретение относится к системе для энергоснабжения подводных установок и оборудования по разработке нефтяных месторождений. Предпочтительно система содержит термоизолированный трубопровод, внутри которого могут возникнуть образования вредных гидратов или накапливаться парафиновые осаждения и где кабели электропитания соединены с каждым концом трубопровода для прямого электронагрева трубопровода. В местах соединения (соединений) кабеля трубопровод может предпочтительно иметь электрическое соединение, выполненное в морском дне и/или окружающем водном пространстве.

Разработка нефтяных месторождений в открытом море выполняется на все большей глубине и все больше отдаляется от берега. В другом виде разработки месторождений в большей степени используются автономные скважины в подводной системе. Автономные скважины остаются на морском дне и управляются с удаленной платформы или других средств обслуживания через системы трубопроводов, проложенных по дну моря. Некоторые из этих трубопроводов лежат на дне моря на больших глубинах, например глубже 300 м, где температура морской воды, окружающей трубопровод, составляет порядка 4°С. Вместе с углеводородами добывается вода, и при выпуске из нефтяной скважины углеводороды, добытые вместе с водой, имеют высокую температуру. При транспортировке по морскому дну углеводороды охлаждаются. Во время этого охлаждения возникает определенное явление, влияющее на поток, проходящий через трубопровод. Углеводороды становятся вязкими, и при понижении температуры углеводородов на внутренней стенке трубопровода осаждается парафиновый воск. Газообразный углеводород, подвергшийся воздействию давления, в соединении с водой при низких температурах образует твердое вещество, называемое гидратом. Гидраты могут забивать трубопровод, и такие пробки часто трудно удалять. Как показывает опыт, в глубоких водах обычные способы удаления гидратных пробок из трубопроводов пониженного давления не являются эффективными. Высокое давление в трубопроводе и неоднородная топография морского дна требует больших затрат времени и могут вызвать отдельные эксплуатационные проблемы, а также являются дорогостоящими вследствие потерь производственного времени.

Проблема, связанная с низкими температурами в погруженных трубопроводах, решалась ранее путем размещения вокруг трубопровода термоизоляции. Однако для ряда трубопроводов такая термоизоляция не является эффективной из-за длины трубопроводов. Повышенные скорости потока, проходящего через трубопроводы, способствуют минимизации снижения температуры текучей среды, а также оказывают влияние на другие факторы. Проблемы, имеющие отношение к потере тепла из трубопровода, становятся ощутимее при добыче концевой фракции нефтепродукта из нефтяного пласта, поскольку на этой стадии ресурса скважины нефтеотдача часто падает. Проблемы становятся особенно ощутимыми, когда трубопровод должен закрыться на длительный период. В частности, это может, например, случиться во время работы на скважине или на средстве обслуживания, принимающем текучие среды из трубопровода. Стоимость термоизоляции для предотвращения охлаждения трубопровода при таких условиях может быть чрезмерно высокой.

Как правило, разработка месторождения развивается в направлении размещения большего количества оборудования, предварительно помещенного на палубе платформы (верхней поверхности) или на береговом предприятии, на дне моря. Двигатели для нагнетания воды представляют собой один из вариантов установок, предпочтительных для установки на дне моря в сочетании с опорной плитой для бурения. Давления в скважинах поддерживает насос для нагнетания воды. Целью размещения двигателя для нагнетания воды на морском дне является предотвращение транспортировки добываемой воды к верхней поверхности и возвращение ее обратно вниз, опять в нефтяной пласт. Следовательно, можно уменьшить как размеры, так и количество трубопроводов.

Между тем, из ОТС-документов, ОТС 15189, представленных на конференции по морским технологиям в США в Хьюстоне в 2003, г. известен прямой электрический нагрев (ОЕН) трубопроводов с целью предотвращения образования гидратов. Прямой электрический нагрев основан на главном принципе использования переменного электрического тока в металлическом проводнике для образования тепла. В системе прямого электрического нагрева труба, которая должна нагреваться, является активным проводником тока в однофазной цепи, образованной кабелями электропитания и самой трубой. Поскольку труба на обоих концах электрически заземлена в море (земной потенциал), для эффективности системы важно, чтобы кабели электропитания были расположены близко к трубе. Потенциал в кабеле уменьшается от общего потенциала на верхней поверхности платформы до нулевого потенциала в местах заземления, выполненных в морском дне.

Более того, известно расположение двигателя для нагнетания воды и насоса на дне моря на опорной плите для бурения для откачки пластовой воды обратно в нефтяной пласт. Такой двигатель для нагнетания воды требует трехфазного электропитания и как можно более симметричную конфигурацию кабеля. Энергия поставляется от платформы.

Цель изобретения состоит в том, чтобы предложить решение, сочетающее эти два независимых требования для того, чтобы упростить конструкцию питающей энергосети и конструкцию трубопровода.

Цель изобретения достигается путем применения системы, описанной далее в приложенной формуле изобретения.

- 1 011539

Настоящее изобретение относится к способу объединения кабельных систем, предназначенных для подачи электроэнергии, в две разные системы путем выбора формы переключения, позволяющей переключение между однофазной конфигурацией, предназначенной для выполнения прямого электрического нагрева, и трехфазной конфигурацией, предназначенной для работы двигателя для насоса по нагнетанию воды. Решение сталкивается со специфическими требованиями, предъявляемыми к прямому электрическому нагреву, как с точки зрения конфигурации, так и с точки зрения конструкции кабеля, так как кабель, предназначенный для прямого электрического нагрева, либо расходится на три параллельных кабеля, либо три проводника, покрытых общей оболочкой. Кабель механически защищен при помощи защитного профиля или защитного слоя гравия, либо траншеи, проложенной в морском дне. Предложенное решение будет представлять большую экономию ввиду более эффективной установки и укороченной длины необходимых кабелей.

Как показывает практика, насос для нагнетания воды обычно находится в непрерывном рабочем режиме во время производства углеводородов, в то время как прямой электрический нагрев в принципе используется только во время остановки и прекращения производства углеводородов. Следовательно, две системы будут взаимозависимы. Поскольку временная константа для системы нагнетания воды велика, насос для нагнетания воды может не работать во время электрического нагрева трубопровода.

Ниже изобретение описано более подробно со ссылкой на чертежи, на которых фиг. 1 схематически изображает инфраструктуру известного уровня техники, снабженную системой, предназначенной для прямого электрического нагрева трубопровода, транспортирующего нефть и проходящего между двумя платформами;

фиг. 2 - схему цепи, в которой используются принципы согласно настоящему изобретению;

фиг. ЗА - разрез по линии А-А, показанной на фиг. 1, трубопровода с кабелем, уложенным на трубопроводе и покрытым защитным средством; и фиг. ЗВ - разрез трубопровода с кабелем, расположенным вдоль одной стороны трубопровода и покрытым защитным слоем почвы или гравия.

Фиг. 1 схематически изображает обычную область разработки месторождений, содержащую две платформы А, В, при этом трубопровод 10 расположен на дне моря, проходя между двумя платформами А, В. Как показано на чертеже, часть трубопровода, лежащая на дне моря, имеет участок 32 на каждом конце, и промежуточный участок 33, который нужно нагревать. Стояк 34 проходит от дна моря на каждом конечном участке 32 вертикально вверх к палубам 35 платформ А, В. Ток высокого напряжения поставляется от источника 13 электроэнергии, находящегося на одной из палуб платформ, по кабелю 12 электропитания и обратному кабелю 31. Для этой цели на каждом конце трубопровода 10 на дне моря имеется место 37 кабельного соединения. Трубопровод 10 в зоне каждого места соединения на дне моря заземлен в морском дне и/или окружающем водном пространстве при помощи соответствующего заземления 36.

На фиг. 2 схематически проиллюстрирован принцип, используемый в данном изобретении. Трубопровод 10 транспортирует углеводороды от установки (не показана), расположенной на дне 24 моря, такой как опорная плита для бурения, по направлению, например, к средству по обслуживанию платформы или ему подобному (не показано), расположенному над уровнем 25 моря. Двигатель 11 для нагнетания воды расположен на опорной плите для бурения и приводит в движение насос (не показан) для нагнетания воды вниз в подводные пласты 24. Назначение двигателя 11 для нагнетания воды и насоса заключается в закачивании пластовой воды непосредственно обратно в нефтяной пласт, исключая первоначальную откачку воды вверх к палубе 25 платформы и нагнетание ее обратно вниз в нефтяной пласт.

Двигатель 11 имеет трехфазный источник энергии; энергия поступает, например, от палубы 35 платформы А по линии (линиям) 12 подачи электроэнергии. Энергия поставляется от трехфазного источника 13 энергии при помощи цепи 14. Указная цепь 14 содержит рубильник 15, возможно трансформатор 16, и возможно также преобразователь 17 частоты. Более того, также может быть установлена нижняя цепь преобразователя частоты, переключатель 18 ненагруженной линии, предпочтительно предотвращающий наличие потенциала напряжения во время переключения.

Назначение преобразователя 17 частоты состоит в том, что он должен находиться в положении регулировки частот подаваемой энергии и, следовательно, частоты вращения двигателя/насоса. Обычно такие частоты находятся в диапазоне от 0 до 60 Гц.

Линии 12 подачи электроэнергии содержат три выделенных изолированных кабеля 28. Кабели 28 на трубопроводе 10 предпочтительно покрыты тройным слоем фольги для того, чтобы получить как можно более равномерную нагрузку на двигатель 11 и три кабеля 28. В альтернативном варианте кабели 28 могут быть расположены рядом с трубопроводом 10 и защищены отдельно почвой или гравием 40. Если кабели 28 не симметричны, при запуске двигателя 11 могут возникнуть проблемы.

В конфигурации цепи входит подводный переключатель 19, предпочтительно разгруженного типа, предотвращающий появление потенциала во время переключения из режима прямого электрического нагрева в режим работы двигателя 11. Между подводным переключателем 19 и двигателем 11 для нагнетания воды может произвольно быть включен в схему трансформатор 20. В данную конфигурацию цепи также могут быть включены соединители 38.

- 2 011539

В конфигурацию цепи для получения однофазной энергии включены трехфазный источник 13 питания и выключатель 21. Более того, в цепь входит узел 23 компенсации фактора симметрии и коэффициента мощности, а также возможно трансформатор 22. Вместо узла 23 компенсации фактора симметрии и коэффициента мощности, представленного на фиг. 2, может быть включен преобразователь частоты (не показан). Преимущество использования преобразователя частоты состоит в том, что облегчается регулировка входной мощности в системе прямого электрического нагрева. В зоне мест соединения, выполненных для линий 12, 31 подачи энергии, трубопровод заземлен в морском дне или окружающей воде при помощи заземления.

На фиг. 3А представлен разрез трубопровода 10 по линии А-А, показанной на фиг. 2. Как показано на фиг. 3А, трубопровод 10 содержит стальную трубу 26 и расположенный вокруг нее теплоизолирующий слой 27 любого подходящего и обычного типа. Линия 12 подачи образована из трех отдельных силовых кабелей 28, изолированных от моря (земной потенциал). Три силовых кабеля 28 расположены с образованием треугольной конфигурации. Силовые кабели 28 расположены вплотную к наружной поверхности теплоизолированного трубопровода 10 и проходят, по меньшей мере, вдоль длины трубопровода, на которой его нужно нагревать. Силовые кабели 28 конструктивно физически защищены при помощи защитного профиля 29. Назначение защитного профиля 29 в числе прочего состоит в защите силовых кабелей 28 от воздействий и нагрузок, вызванных траулерами, орудиями лова рыбы или падающими объектами. Защитный профиль 29 может иметь любую соответствующую форму, например, изогнутую форму. Защитный профиль 29 связан с трубопроводом 10 любым соответствующим способом, например, при помощи обвязочных лент 30.

На фиг. 3В представлены соответствующие кабели 28, помещенные вдоль трубопровода 10 по дну моря и покрытые защитным слоем почвы с морского дна или гравием 40.

Решение согласно изобретению состоит в следующем.

Когда трубопровод необходимо нагревать для того, чтобы предотвратить образование гидрата или парафиновых пробок, снимают напряжение от разгруженных переключателей 18 и 19 путем выключения рубильника 15 и выключателя 21. Затем разгруженные переключатели 18 и 19 переключают в положение, в котором однофазный ток высокого напряжения может проходить от источника 13 высокого напряжения к трубопроводу 10. Вслед за этим разгруженный выключатель 21 снова включают, тем самым однофазный ток высокого напряжения проводится через кабель. В данный момент насос для нагнетания воды отсоединен. Каждый из кабелей 12, 31 высокого напряжения соединяется с соответствующим концом трубопровода 10, таким образом, замыкая электрическую цепь вместе с трубопроводом 10. При угрозе образования гидрата включают систему прямого электрического нагрева. Например, это может быть в случае, когда производство углеводородов остановлено планово или при ином условии, и содержимое трубопровода 10 охлаждается, поскольку температура окружающей среды ниже, например, около 4°С. Система для прямого электрического нагрева заземлена в морской воде, например, при помощи анодов (не показаны), прикрепленных на каждом конце наружной стенки трубопровода 10. Это сделано с точки зрения безопасности и для того, чтобы получить схему, устойчивую к повреждениям в наружном покрытии трубопровода 10, даже если это может привести к тому, что часть тока проходит через морскую воду, требуя, таким образом, большего энергопотребления.

Согласно данному решению стальная труба 26 нагревается переменным электрическим током, создающим тепло при его протекании по указанной трубе. Путем задания соответствующих размеров можно поддерживать температуру в конденсате/водной смеси, находящейся в трубопроводе 10, свыше 25°С в нагретой части трубопровода 10 во время отключения. Три проводника 28 в таком случае будут соединены параллельно.

При повторном возобновлении добычи в скважине рубильник 15 и выключатель 21 снова отключают, после чего включают разгруженные переключатели 18, 19, тем самым, двигатель 1 для нагнетания воды начинает работу. При включении рубильника 15, двигатель 11 питается трехфазным током высокого напряжения, поставляемым источником электроэнергии высокого напряжения, и пластовая вода вводится обратно в нефтяной пласт. При такой конфигурации трубопровод 10 будет незначительно нагреваться избытком тепла, вызванного переносом по нему горячих углеводородов.

Следует отметить, что кабели предпочтительно не следует армировать, поскольку такое укрепление может подвергнуть опасности работу системы. Если кабели 28 содержат металлическое армирование, это может индуцировать в данном армировании сильные токи. Этот процесс может вызвать перегрев в кабелях 28, несмотря на то, что труба 10 при этом нагреваться не будет, как и запланировано.

Несмотря на то что предусмотрена возможность использования соединителей 38, это не является обязательным требованием. Назначение использования соединителей состоит в том, чтобы облегчить подводную установку. При таком решении оба конца могут быть погружены на дно моря и соединены на более позднем этапе. Не существует зависимости использования данного способа для соединения кабелей, поскольку соединение может быть выполнено над уровнем моря при помощи кабельной спайки.

Более того, следует понимать, что даже если предусмотрен разгруженный переключатель 19, изобретение не ограничено использованием данного переключателя. Разгруженный переключатель 19 явля- 3 011539 ется упрощенным решением, в котором элемент не должен быть предназначен для переключения тока полной нагрузки и потенциального тока повреждения. Для подводного оборудования предпочтительно выполнить данные переключатели 19 как можно проще и безотказнее. Данное требование определяет выбор разгруженного переключателя 19.

Кабель 19 возможно, но необязательно, имеет наружное покрытие полупроводникового типа. Использование такого покрытия полупроводникового типа может легко предотвращать высокое напряжение в защитном устройстве при больших длинах кабелей, в которых зарядный ток расходится радиально по всей длине кабеля. Следовательно, устраняется продольный экранирующий ток и, таким образом, наведенное экранирующее напряжение. Кабели, имеющие короткую длину, предпочтительно могут иметь наружное изоляционное покрытие.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Система для энергоснабжения подводных установок и оборудования по производству углеводородов, содержащая предпочтительно теплоизолированный трубопровод (10), внутри которого возможно образование нежелательных гидратов или осаждение парафина, и электрические силовые кабели (12, 31), соединенные с каждым концом трубопровода (10) для прямого электрического нагрева указанного трубопровода, причем трубопровод (10) предпочтительно электрически соединен (36) с окружающим морем при помощи кабельных соединителей, отличающаяся тем, что силовой кабель (12) дополнительно выполнен с обеспечением подачи по второй цепи трехфазного питания к электродвигателю (11), находящемуся в узле подводной установки, соединенном с трубопроводом (10), и имеются средства (18, 19) переключения, выполненные с обеспечением возможности образования тремя проводниками (28), образующими силовые кабели (12), параллельных проводников в первой цепи, причем силовые кабели (12, 31) подают энергию для прямого нагрева трубопровода (10).
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что первая цепь представляет собой однофазную конфигурацию, а вторая цепь представляет собой трехфазную конфигурацию.
3. Система по п.2, отличающаяся тем, что средства переключения содержат подводные переключатели (19), которые предпочтительно выполнены с возможностью работы без нагрузки.
4. Система по п.3, отличающаяся тем, что средства переключения также содержат переключатель (18), который предпочтительно выполнен с возможностью работы без нагрузки.
5. Система по одному из пп.1-4, отличающаяся тем, что трехфазная цепь электрического двигателя (11), приводящего в действие узел подводной установки, содержит трансформатор и предпочтительно частотный преобразователь.
6. Система по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что первая цепь, предназначенная для прямого нагрева трубопровода (10), содержит узел (23) компенсации фактора симметрии и коэффициента мощности.
7. Система по одному из пп.1-5, отличающаяся тем, что первая цепь, предназначенная для нагрева трубопровода (10), содержит частотный преобразователь.
8. Система по одному из пп.1-7, отличающаяся тем, что вторая цепь, предназначенная для энергоснабжения двигателя (11), содержит частотный преобразователь (17).
9. Система по п.8, отличающаяся тем, что частотный преобразователь (17) предназначен для изменения частоты в диапазоне от 0 до 60 Гц.
10. Система по одному из пп.1-9, отличающаяся тем, что кабели (28) расположены снаружи на трубопроводе (10) и покрыты защитным профилем (29), прикрепленным к трубопроводу (10), например, при помощи строп (30).
11. Система по одному из пп.1-9, отличающаяся тем, что кабели (28) размещены вдоль трубопровода (10) и покрыты слоем (40) защитных масс, таких как подводный грунт или гравий.
12. Система по одному из пп.1-11, отличающаяся тем, что первая и/или вторая цепи содержат трансформатор (16, 22).