NO152209B - Fremgangsmaate ved pumping og avgassing av vann - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen vedrører pumping og avgassing av vann, spesielt fjerning av oksygen fra sjøvann som skal injiseres i dyptliggende strukturer for å øke den utvinnbare andel av underjordiske hydrokarbonressurser.Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at vannet pumpes opp og avgasses i et gaslift-system med inertgass som resirkuleres. Vannet skilles ut ferdig avgasset, mens inertgassen ledes gjennom en regenereringssone for rensing og regenerering i. gassfase, idet den oksygenholdige gass fra gaslift-sonen tilsettes hydrogen og den resulterende gassblanding føres gjennom en katalytisk forbrenningssone for forbrenning av hydrogen og oksygen til vann, hvoretter den rensede gass resirkuleres.

Description

Denne oppfinnelse vedrører avgassing av vann, spesielt fjerning av oksygen fra sjøvann som skal injiseres i dyptliggende strukturer for å øke den utvinnbare andel av underjordiske hydrokarbonressurser.

Det er i denne forbindelse av vesentlig betydning å fjerne sjø-vannets innhold av oksygen for å redusere korrosjon og forhindre vekst av aerobe bakterier som blokkerer hydrokarbonstrømmen fra strukturen. Dette problem har vært kjent i lang tid, og det er foreslått flere ulike løsninger. De fleste bygger på ett av to hovedprinsipper, avgassing ved redusert trykk og gass-stripping eller en kombinasjon av disse. Når man tar i betraktning at det er meget store sjøvannmengder som skal injiseres samtidig som avgassingen hele tiden må være effektiv, idet friskt sjøvann normalt er mettet med oksygen og representerer en meget poten-siell korrosjonsfaktor, vil det forstås at dette stiller strenge krav til desoksyderingsprosessen og at det er nødvendig å bygge store og kostbare behandlingsanlegg.

Vakuum avgassing blir derfor lite hensiktsmessig, fordi man ved slike metoder må bruke meget komplisert og tungt utstyr. Når det gjelder oksygenfjerning ved stripping, har det hittil vært benyttet naturgass som i offshore-sammenheng er lett tilgjenge-lig i tilstrekkelig store mengder. Naturgassen vil ikke kunne utnyttes kommersielt etter strippeoperasjonen, men må kjøres til fakkel. Forurensninger i gassen som CO,, og H^S reduserer også kvaliteten på vannet.

Strippetårn som utnytter naturgass som strippegass, har derfor også ulemper. Gassforbruket er stort og volum og vekt nesten like høye som for vakuumtårn.

Et anlegg for stripping ved hjelp av resirkulert nitrogengass er beskrevet i US-patent nr. 4,0J7,276 (tilsvarende norsk patent nr. ]49.308). Ifølge patentet foretas oksygenfjerning i et strippetårn med nitrogengass og fjerning av oksygen fra strippegassen ved lav temperatur gassfraksjonering. Herved forbrukes ikke vesentlige mengder gass. Fraksjoneringsapparaturen blir imidlertid plasskrevende og kostbar, mens nedkjølingen er rela-tivt energikrevende. For å oppnå tilstrekkelig lave oksygen-verdier vil det også her kreves spesielle og fordyrende tiltak. Oksygeninnholdet i nitrogengass fremstilt ved gassfraksjonering ligger normalt i området JO-J 00 ppm og strippegassen bør derfor gjennomgå en ytterligere renseprosess før den resirkuleres.

Sjøvann som skal benyttes for reinjisering, pumpes normalt opp ved hjelp av neddykkede sentrifugalpumper. Det er imidlertid også blitt foreslått å pumpe opp vannet ved hjelp av gaslift-prinsippet, som regnes for å ha større driftsikkerhet enn meka-nisk pumping og er et enkelt system som kan benyttes for store løftehøyder. Fordeling av gass inne i løfterøret vil da under bestemte forutsetninger gi en strippeeffekt som medfører at oksygen blir fjernet. Gasliftprinsippet er tidligere foreslått benyttet med naturgass som løftegass. En betydelig ulempe er imidlertid at prinsippet krever bruk av store mengder naturgass med et resulterende forbruk som er minst tre ganger større enn ved bruk av strippetårn. Videre overføres H?S og COp til vannet som derved forsures.

Det er derfor et hovedformål med den foreliggende oppfinnelse

å tilveiebringe en ny og forbedret fremgangsmåte som eliminerer forbruket av strippegass samtidig som det oppnås optimal oksy-genf jerning uten forsuring av vannet.

Videre er det et formål med oppfinnelsen å nedsette utstyrets vekt og plassbehov.

Ovenstående og andre formål realiseres ved hjelp av den utførel-sesform av oppfinnelsen som er beskrevet nedenfor og som er be-skyttet ved de medfølgende patentkrav 1-6. Et vesentlig kjennetegn ved oppfinnelsen er at vannet pumpes og avgasses i et gaslift-system med sirkulerende inertgass. Hydrogen tilsettes og forbrennes med den oksygen som er opptatt i utgående inertgass fra gaslift-sonen i en katalysatorenhet anordnet i sirkulasjons-kretsløpet.

Andre formål og kjennetegn ved oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende beskrivelse og de utførelsesformer som er vist på tegningen, hvor:

Fig. 3 viser et skjematisk oppriss av systemet,

Fig. ? viser et forstørret oppriss av bunnseksjonen

av gaslift-systemet,

Fig. 3 viser et snitt gjennom samme og

Fig. 4 viser eksempler på ulike strømningstilstander.

Fordelene ved "gaslift" med sirkulerende inertgass mot "gaslift" med engangsgjennomløp av naturgass, kan kort oppsummeres som følger:

- Tap av naturgass unngås

- Forsuring med HpS, COp unngås og derved oppnås

lavere oppholdstid ved Op-scavenging

Naturgass løst i vann unngås

Fakkel og miljøforurensning reduseres betydelig

Frihet i valg av gassmengde gir mulighet for

bedre Op-fjerning og/eller pumpeeffekt

Lavere mengde brennbar gass i systemet (kun små

mengder H2) gir vesentlig større sikkerhet

Lavere korrosjon i gaslift-røret (unngår HpS og COp

sammen med Op)

Reduserte muligheter for skumming

Sikrer konstant, kjent gasskvalitet, slik som molvekt,

sammensetning, sporstoffer, kondenserbare bestanddeler.

Fig. 1 viser en prinsipiell utførelsesform av gaslift-systemet med sirkulerende inertgass i henhold til oppfinnelsen.

Inertgass inneholdende avdrevet oksygen og små mengder hydrogen tilsatt fra en hydrogenkilde 8 komprimeres i en kompressor J.

I en deoxokatalysator ? forbrennes hydrogen og oksygen til vann. Inertgassen som er tilnærmet fri for oksygen, føres ned gjennom røret 3 og til bunnseksjonen 4 hvor gass og væske blandes. Gass-/væskeblandingen i røret vil heves til et nivå høyere enn vannoverflaten på grunn av at blandingen i røret har lavere tetthet enn væsken. Differansen mellom sjøvannets statiske trykk ved bunnseksjonen 4 og det statiske trykk av gass-/væskeblandingen, utgjør den drivende kraft.

Blandingen stiger opp gjennom et rør 5 som utgjør selve "gaslift"en hvor oksygenfjerningen finner sted.

Væske-gassblandingen fra røret 5 skilles i en separator 6, f.eks. en syklon. Mesteparten av gjenværende væske i gassen kan fjernes i en ytterligere separator 9, f.eks. en demistor.

Oksygenet fjernes ved hjelp av ekstra tilsats av hydrogen 8 i en deoxo-enhet ?. Erstatningsgass, f.eks. i form av luft, tilsettes ved innløpet 7 for å opprettholde trykket i systemet. Videre kan istedenfor hydrogen eventuelt tilsettes en annen egnet reduk-sjonsgass.

Vann fra separatoren 6 går til eventuell viderebehandling JO (f.eks. tilsats av 0?-scavenger) og deretter til bruk. Kapa-siteten i gaslift-systemet kan enkelt lages tilstrekkelig stor til også å kunne dekke vannforbruk i tillegg til den vannmengde som skal injiseres, uten at det resulterer i øket gassforbruk.

Den rene hydrogengass (99,9%) tilføres i avpassede støkio-metriske mengder eller i overskudd i forhold til oksygeninnholdet i inertgassen, fra en vannelektrolysør 8 eller en annen type hydrogengenerator, gjennom en ledning og blandes med gassen fra gasliftsystemet. Gassblandingen føres så ved hjelp av kom-pressoren inn i katalysatorkammeret som er fylt med tørr, par-tikkelformet katalysator bestående av aktivt palladium eller platina utfelt på aluminabase. Denne vil tenne den tørre gassblandingen spontant. Forbrenningen skjer ved det trykk som kreves for å drive gassen ned til bunnseksjonen 4. Hydrogen og oksygen forbrennes fullstendig under varmeutvikling som for-damper det dannede vann og varmer opp inertgassen.

Gjenværende inertgass vil nå være tilnærmet fullstendig renset for oksygen og kan umiddelbart resirkuleres i prosessen.

Fig. 2 og 3 viser en mer detaljert utforming av gaslift-rørets bunnseksjon.

Selve teknikken bak gaslift-prinsippet anses som vel kjent, og utformingen av utstyret for øvrig vil ikke bli beskrevet i detalj og er heller ikke vist på tegningen. Sirkulerende inertgass innføres under trykk gjennom røret 3 til bunnseksjonen 4 som former en kappe 34' rundt selve løfterøret 5. Løfterøret 5 er forsynt med et antall små åpninger fordelt jevnt rundt om-kretsen. Hvis kjemikalieinnsats kreves, kan et ytterligere rør 3 3' anordnes nedenfor bunnseksjonen. I underkant av røret 5 er anordnet en silinnretning 3 2.

Fig. 4 viser eksempler på strømningsmønstre som dannes i gas-lif t-røret og som er avhengige av volumforhold gass/væske.

I og med at man har økt frihet når det gjelder mengden av gjennomstrømmende inertgass, er det til enhver tid mulig,å velge den gassmengde som gir den beste kombinasjon av oksygenfjerning og pumpeeffektivitet. Et mulig strømningsbilde vises på Fig. 4 for en løftehøyde på 40 m over vannflaten, inntak 60 m under vannflaten og med en rørdiameter på 0,3 m. Avsnitt ]3 viser såkalt annular flow, avsnitt J4 viser såkalt wispy annular flow, avsnitt 15 viser såkalt churn flow og avsnitt 16 såkalt plug flow.

De spesielle og vesentlige poenger ved bruk av "gaslift" med sirkulerende inertgass i henhold til oppfinnelsen er: - Oksygen fjernes i selve pumpeoperasjonen - pumping og oksygenfjerning oppnås samtidig

Lavt resulterende oksygeninnhold i vannet reduserer evt.

behov for Op-scavenger

Ved forbrenningen av oksygen med hydrogen dannes vann

som allerede finnes i systemet

Driftssikkerhet, systemet består av få bevegelige deler Systemet er satt sammen av kjente elementer og kjent

teknikk

Systemet er miljøvennlig, ingen forurensning av vann

og luft

- Systemet krever lite vedlikehold

Operasjonsvekten er tilnærmet lik tomvekt

og er vesentlig lavere enn ved bruk av vakuum og eller strippetårn.

Eksempel:

Gaslift-systemet har vært kjørt i pilotanlegg:

0,5 m^ sjøvann pr. time ble pumpet av gaslift-systemet og løftet fra 4 m dyp opp til 6 m over overflaten ved bruk av 2,5 Nm 3nitrogengass pr. time.

Den komprimerte og oksygenfrie nitrogengass ble tilført bunnen av et gaslift-rør som bestod av et enkeltrør med 2,J cm indre diameter.

Den resulterende vann/gass-blanding strømmet opp gjennom gas-liftrørene samtidig som oksygen diffunderte fra væskefasen over i gassfasen. Oksygenmengden i vannet ble redusert med ca. 90%.

I et separat pilotanlegg ble nitrogengass inneholdende over 3 000 ppm oksygen og støkiometriske mengder hydrogen tilført en Pd-katalysator. Etter katalysatoren var oksygenmengden redusert til under 3 ppm. Forsøket ble kjørt kontinuerlig over tre måne-der uten varig svekkelse av katalysatoren.

Forsøkene viser at en direkte oppskalering av gaslift- og katalysator systemet etter kjente prinsipper vil resultere i et operativt system med tilfredsstillende virkningsgrad.

Sluttresultat:

Tilstrekkelige mengder sjøvann kan pumpes opp til f.eks. 40 m over overflaten og oksygeninnholdet reduseres til 0,3 ppm eller lavere i én og samme operasjon.

Den ovenfor beskrevne metode må kun anses som en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen.

Det er således mulig innenfor oppfinnelsens ramme å benytte annen katalytisk forbrenning enn den beskrevne Pd-baserte. Andre inertgasser enn nitrogen og andre måter å rense inertgassen på kan også være aktuelt.

Videre er det mulig å utforme gaslift-rørene og bunnseksjon på ulike måter. Både rørenes diameter, høyde og antall vil kunne

varieres. Avhengig av de betingelser som kreves for å skape op-timale strømningsforhold og løftevirkning kombinert ved optimal oksygenfjerning, har man også frihet til å endre mengden av til-ført gass uten at dette vil medføre ekstra kostnader.

Claims (6)

1. J. Fremgangsmåte for samtidig pumping og avgassing av vann under anvendelse av et gaslift-system, karakterisert ved at vannet samtidig pumpes og avgasses i et system med sirkulerende inertgass, at inertgassen renses og regenereres i gassfase, ved at forurenset inertgass, eventuelt sammen med tilført ny gass til erstatning for den som absorberes av vannet, tilsettes hydrogen, og den resulterende gassblanding føres gjennom en katalytisk reaksjonssone, og at den rensede inertgass tilbakeføres til systemet.
2. 2. Fremgangsmåte ifølge krav ],

   karakterisert ved at den sirkulerende gass er ren nitrogengass.
3. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 2,

   karakterisert ved at tilført hydrogen forbrennes støkiometrisk med oksygen ved atmosfæretrykk i nærvær av en katalysator.
4. 4. Fremgangsmåte ifølge krav 3,

   karakterisert ved at tilnærmet ren hydrogen tilføres fra en egen elektro-lysør eller hydrogengenerator som står tilkoplet systemet.
5. 5. Fremgangsmåte ifølge et hvilket som helst av kravene 1-4,

   karakterisert ved at ny inertgass til erstatning for den gass som forbrukes, tilføres foran gassblandingens forbrenningssone.
6. 6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at inertgassen tilføres gjennom inntak av luft.