NO153938B - Fremgangsmaate ved oppfangning og separasjon av olje, vann og gass fra en oljebroenn og en utligningskolonne for utfoerelse av fremgangsmaaten. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte ved oppfanging

og separasjon av gass, vann og olje som kontrollert eller ukontrollert strømmer ut fra en olje/gassbrønn i havbunnen, samt en kolonne for gjennomføring av fremgangsmåten, ifølge kravenes innledninger.

I løpet av de senere år er mange forsøk gjort på å kontrolere olje og gass som strømmer ut av olje/gassbrønner på havbunnen. Slike forsøk er utført for å hindre forurensing av den omkringliggende sjø og kystområder som i høy grad står i fare for å få ødelagt livet i havet og å forurense store strandområder. I tillegg følger store økonomiske tap med utblåsing fra slike brønner.

Eksisterende utstyr i dag, som eksempelvis lenser, skimmere, sombreroer etc. har vist seg å være utilfredsstil-lende under varierende værforhold. Derfor måtte nye metoder utvikles for å oppsamle og adskille gass og olje som strøm-mer ukontrollert fra brønner på havbunnen. Det er derfor på-krevet med anordninger som kan oppsamle og økonomisk utnytte gass og olje fra slike brønner i den tid det arbeides med å

få kontroll over utblåsingen, eksempelvis ved'boringer av avlastningsbrønner.

Anordninger i form av sombreroer, eksempelvis ifølge US 3 664 136, er forsøkt innsatt for å forhindre forurensing av sjøvann og omgivelser. Hensikten med slike sombreroer har vært å oppsamle olje/gassblandingen som blåser ut av olje-brønnen på havbunnen. De vesentlige grunner for at innsats av slike sombreroer ikke har vært vellykket, har vært at olje og gass unnslipper under kanten av sombreroen og forsøket med å overføre olje/gassblandingen, vanligvis fra sombrero-ens topp til havflaten, har mislykkedes. På grunn av den proporsjonale ekspansjon av gassen som unnslipper fra olje/ gassblandingen, har slike forsøk hatt alvorlige problemer under den betydelige ekspansjon gassvolumet får ved transport av olje/gassblandingen i rør opp til havflaten.

Et krav for å styre en blåsende brønn med en over brønnen anordnet konstruksjon, er å kontrollere trykkvaria-sjonene på havbunnen, noe som kan oppnås ved å dempe blan-dingens bevegelsesenergi, styre det statiske trykk og behandle olje og gass adskilt. Trykket som stiger i konstruksjonen på grunn av utstrømningen, må styres og begrenses til et trykk som ikke overskrider styrken i havbunnen hvorpå konstruksjon-nen hviler. Ellers vil bunnen ødelegges med fare for under-graving og havari av konstruksjonen.

Adskillelse av gassen fra oljen vil kreves for å unngå problemer som oppstår på grunn av at gass og olje har helt ulik oppførsel i forhold til trykkfall og ekspansjon, store trykkvariasjoner forårsakes av gassbobler i transport-rørene fra sjøbunnen til havflaten samt at gassen fører til kavitasjonsproblemer i pumpene.

I henhold til foregående stilles følgende krav for bruk av slike konstruksjoner: Ubetydelig eller ingen brudd i bunnforholdene, begrensing av trykkvariasjoner, utbetydelig eller ingen beskadigelse av rørledninger på eller nær havbunnen, innsats av konstruksjonen uavhengig av vanndyber, hurtig og enkel installasjon, driftssikkerhet og mobilitet. Videre vil krav til økonomisk fremstilling og vedlikehold

som vanlig være viktig.

Problemet med brudd i havbunnen vil oppstå når konstruksjonen som dekker brønnhodet og har en åpen nedre ende plassert på havbunnen, fylles med olje/gassblandingen fra brønnen som forårsaker trykkdifferanser på innsiden og utsiden av konstruksjonen. Dersom trykkdifferansen på utsiden og innsiden av konstruksjonen nær havbunnen overstiger 3-5 ntf^O, vil en normalt kunne forvente brudd i havbunen. Slike brudd vil normalt medføre lekkasje ved havbunnens overflate eller i grunnen. Trykkvariasjoner ved havbunnen, grunnet tofase-strømning vil kunne variere betydelig.mer enn bunnens styrkebegrensning på 5 ml^O og gjør det nødvendig å begrense variasjonene i olje/gasstrykket innenfor enhver konstruksjon som anordnes åpen mot sjøbunnen.

Mens trykket ved bunnen av en konstruksjon er lik høyden av væsken i konstruksjonen ganger væskens spesifikke vekt pluss det atmosfæriske trykk, vil gasstrykket i konstruksjonen være det samme i alle retninger.

Dersom gass og olje overføres sammen gjennom et stigerør, hvor trykket i rørets enkelte seksjoner er avhengig av seksjonenes vertikale stilling, vil bunntrykket kontinu-erlig variere avhengig av det gassinnhold som finnes i stigerøret, ettersom gassen fortrenger oljen mens den ekspanderer under bevegelse opp gjennom stigerøret.

Ved å adskille gassen fra oljen så meget at gass-mengden i oljen reduseres sterkt, også under transporten, vil variasjonene i trykket ved stigerørets bunn også være vesentlig redusert. Slik separering er mulig ved å oppnå et fritt oljenivå i kolonnen og å etablere en overliggende lomme for gass som er frigjort fra oljen. En slik gasslomme danner således toppen av en konstruksjon som er anordnet over den blåsende brønn.

Fremgangsmåten og kolonnen ifølge den foreliggende oppfinnelse unngår ulempen ved kjente konstruksjoner for oppsamling og/eller separering av olje og gass fra blåsende brønner, slik det fremgår av kravenes karakteriserende deler. Oppfinnelsen beksrives i det følgende eksempelvis. Således kan en vertikaltstilt kolonne senkes ned over en brønn ved å innføre ballast i ballasttanker som er forbundet med kolonnen, inntil kolonnen hviler på havbunnen rundt brøn-nens hode. Deretter ledes olje/gassblandingen fra brønnen opp i kolonnen slik at det i dennes indre bygges opp er, ol je-søyle samt et øvre gassfylt parti som fylles med den gass som frigjøres fra olje/gassblandingen, idet olje/gassblan-dingens oppadrettede bevegelse avbremses av oljesøylen. Trykket og mengden av olje og gass i kolonnen styres ved å regulere ventiler for uttak av olje og gass slik at de hydrostatiske trykk utenfor og innenfor kolonnens på havbunnen hvilende nedre kant holdes like og det øvre parti av kolonnen holdes gassfylt ved at gass ledes kontrollert bort fra kolonnens øvre gassfylte parti for brenning eller videre behandling og olje kontrollert ledes bort fra oljesøylen slik at det gassfylte parti og oljesøylen opprettholdes.

En kolonne kan ha form av et vertikaltstilt rør med lukket øvre ende samt uttaksanordninger for gass, hvor rørets nedre ende har anordninger for opplagring av kolonnen 'på havbunnen og hvor rørets midtre parti har uttaksanordninger for overføring av olje til havflaten og hvor rørets nedre ende har ventilanordninger for væskepassasje ut og inn i kolonnen for å kunne utligne de hydrostatiske trykk på innsiden og utsiden av kolonnens nedre kant under bruk og for ballast og oppdriftsformål når kolonnen heves eller senkes.

En overløpskant kan være anordnet i rørets indre under et øvre parti for opptak av frigjort gass fra blandingen, slik at resterende gass frigjøres fra oljen ved overløp over overløpskanten og overløpskanten i det vesentlige danner det nederste nivå for overflaten av en oljesøyle som dannes i kolonnen når olje/gassblandingen strømmer inn i denne og hvor uttaksanordningenes uttak for olje er anordnet i en overløpskanal mellom rørets indre vegg og overløpskanten og ved et lavere nivå enn overløpskanten. Søylens øverste nivå styres ved gasstrykket i gasslommen.

Kolonnens indre kan ha en eller flere i det vesent - lige horisontale ribber som tjener som dempere for den oppadrettede bevegelse av olje/gassblandingen.

En ytre mantel kan være anordnet rundt kolonnen

slik at det: mellom disse blir dannet ballast- og lagertanker, samt plass for installasjon av ventiler, rørledninger og tan-ker for å kunne styre senking og heving av kolonnen og for å styre trykkene på innsiden av kolonnen når kolonnen er i bruk. Et dekk kan anordnes på toppen av mantelen, for å kunne oppta nødvendig utstyr for driften av kolonnen, idet utstyret på dekket er tilgjengelig for dykkere når kolonnen er i bruk ved store dybder.

Fra kolonnen overføres olje og gass adskilt til havflaten hvor ytterligere behandling kan foretas på lektere, skip, plattformer etc. før videre transport, og gassen kan brennes.

Rørene for slik transport av olje og gass kan være faste eller fleksible, avhengig av vanndybde og andre forhold . Det er imidlertid antatt at fleksible rør kan være den mest økonomiske løsning for større dybder da slike rør også til - later bruk av systemet ved ulike vanndybder uten kostbare ombygninger.

Kolonnens prinsipp kan tillempes for alle vann-

dyp idet det skal opprettes en likevekt i trykkforholdene som følger ligningen

hvor P = det atmosfæriske trykk ved havnivået,

= vannets spesifikke vekt,

H = vanndybden,

P^ = gasstrykket i kolonnens topp,

q2 = oljens spesifikke vekt i.kolonnen,

h- = oljens høyde i kolonnen.

For å kunne begrense muligheten av oljelekkasje under kolonnens bunn på grunn av små trykkvariasjoner, bør trykket ved kolonnens bunn holdes innenfor følgende områder:

noe som gir en trykkontrollspennvidde på Pg som betegner maksimal trykkdifferanse i havbunnen før denne gjennombrytes.

Dersom det tillates mindre lekkasje under bunnen vil bunntrykket i kolonnen kunne varieres som følger:

noe som gir et kontrollområde på 2Pg.

I bruk vil oljen fra brønnen strømme fritt inn i kolonnen, gassen vil separeres og systemet vil etablere sin egen likevekt. Oppbygget trykk ved bunnen unngås ved be-tjening av en bunnventil og/eller en toppventil. Oljen i kolonnen strømmer over overløpskanten før den overføres til transportrørene, noe som også vil øke separeringen av gass.

01je/gassblandingens dynamiske energi idet denne strømmer oppad, dempes av eksisterende olje og vann i kol - onnen. For å oppnå dette, må mengden, diameteren og høyden av vann og olje i kolonnen være stor nok til å dempe og absorbere den dynamiske energi fra den utblåsende olje/gassblanding. Videre må dimensjonene være store no> til å la gassbobler stige og utvide seg uten å danne store trykkfor skjeller i det hydrostatiske trykk ved bunnen. Denne effekt vil avta med stigende diameter og høyde. Den nødvendige høyde av oljesøylen kan reduseres ved innsetting av en mekanikk demper eller dempere i kolonnen.

Kolonnen kan i forbindelse med mere permanent olje-produksjon inngå som første separeringstrinn av gass, olje og vann stående på havbunnen, enten over en blåsende brønn eller i tilknytning til kontrollerte brønnhoder.

Ved permanente installasjoner kan kolonnen eventu-elt utføres med hel egen bunn, og oljen føres inn via rør direkte fra eksterne og eller interne brønnhoder. Ved bunnen i kolonnen kan brønnhoder installeres i rom under kolonnen mellom kolonnen og havbunnen eller ved siden av kolonnen. Oljen bør i dette tilfellet fortrinnsvis føres inn et'.stykke opp på kolonneveggen for å gi bedre mulighet til setling av vann. Vannet tappes ut i bunnen. Gassen tas ut i toppen og brennes eller føres videre i rørsystemet. For at for høye trykk ikke skal oppstå kan gassen før videre behandling ledes inn i en fleksibel trykkregulerende buffertank eller sikkerhetsventil installeres.

På tegningen viser fig. 1 et vertikalsnitt av kolonnen ifølge den foreliggende oppfinnelse, fig. 2 viser kolonnen på fig. 1 med en ytre mantel, ballasterings- og lagringstanker og et utstyrsdekk som er tilgjengelig for dykkere når kolonnen er i bruk på havbunnen, fig. 3 viser en kolonne som er bygget for grunt vann med et plattformdekk over havflaten, fig. 4 viser et tverrsnitt langs IV-IV på fig. 2 og fig. 5 viser et tverrsnitt langs V-V på fig. 2.

En vertikalt anordnet kolonne 1 dekker under bruk en olje/gassbrønn 2 og omfatter et rør 3 med ventiler 4 og 4a og ventil 5 som danner deler av uttaksanordninger 6 og 7 for gass hhv. olje. Kolonnens 1 nedre ende 8 har en nedre kant 12 som hviler på havbunnen 14. I det vertikale rør 3

og den nedre ende 8 i kolonnen 1 vil en oljesøyle 10 bli bygget opp under bruk. En øvre ende 9 av kolonnen omfatter et øvre gassfylt parti 11 under hvilket en overløps kant 15 er anordnet for å frigjøre gass fra olje/gassblandingen når blandingen strømmer over kanten 15 og ned i en overløpskanal 26 hvorfra oljen overføres til havflaten ved hjelp av uttaksanordningene 7. Kolonnens 1 nedre ende 8 har en ventil 18 for uttømming av vann fra kolonnens 1 nedre del og for oppdriftsformål ved heving og senking av kolonnen.

01je/gassblandingen strømmer ut av brønnen 2 gjennom brønnhodet 22 og blir avbremset av væsken i oljesøylen 10. Gass vil frigjøres fra olje/gassblandingen og søke opp mot det gassfylte parti 11. Ved oljesøylens 10 overflate, vil olje/gassblandingens bevegelse være så sterkt avbremset

at oljen i det. vesentlige vil være rolig og det meste av gassen vil være frigjort fra blandingen. Mulig gjenværende gass vil frigjøres fra blandingen når denne strømmer over overløps-kanten 15 ned i overløpskanalen 26. Vann som utskilles fra olje/gassblandingen vil danne et vannfylt nedre parti i kol-lonnens 1 nedre ende 8. Dette vann kan tømmes ut fra kolonnen ved hjelp a v Ventilen 18. Ventilen 18 kan også benyttes som en mulig tilleggstømmeanordning i tillegg til uttaksanordningene 7 for olje ved spesielt stor tilstrømning av olje/ gassblanding til kolonnen.

En ytre mantel 13 omgir kolonnen 1 i avstand fra røret 3 således at det derved dannes muligheter for anord-ning av eksempelvis rørsystemer. Omkring mantelens 13 nedre del kan ekstra ballasterings- og lagringstanker 27 anordnes.

Vann kan tømmes fra kolonnens 1 nedre ende 8 gjennom en manifold 17 til det omkringliggende vann eller med ventiler 18 og 19 til ballastlagringstanker 27, hvorfra det kan transporteres videre med pumpen 29. Lagringstankene 27 er herved i bruk som separeringstanker for olje og vann, idet oljen separeres i tankenes 27 øvre deler og kan tømmes gjennom manifolden 16 hvorfra olje kan overføres videre eller til en manifold 20 fra hvilken en pumpe 30 kan tømme oije fra overløpskanalen 26 for ytterligere behandling.

For å forhøye oljesøylens bremsende virkning, kan

en eller flere horisontale ribber 21 anordnes i rørets 3 indre idet slike ribber samtidig kan utformes som stivere for røret 3.

Rørets 3 nedre kant kan utformes som ribber, kasser eller seksjoner av hvilke enkelte kan fjernes for å unngå beskadigelse av gjenstander på eller nær havbunnen 14 rundt brønnhodet 22, eksempelvis rørledninger. Videre kan den nedre kant 12 være utformet for å trenge ned i havbunnen og derved tillate en viss trykkdifferanse mellom innsiden og utsiden av kolonnens 1 nedre ende 8.

For å forhindre beskadigelse av rørledninger og stigerør på og ved havbunnen, kan kolonnens 1 nedre kant 12 delvis eller helt være utstyrt med en vannfylt fleksibel gummipute som fordeler belastningen av kolonnen ensartet mot havbunnen.

Kolonnen 1 kan ha et utstyrsdekk 31 for opptak av nødvendig utstyr for rørsystemene i hele kolonnen 1 og som kan være tilgjengelig for dykkere når kolonnen er i bruk.

Ytterligere utstyr kan være anordnet med det formål å kunne måle trykk ved ønskede steder ikolonnen, mantelen, tankene, pumpene, manifoldene og anordningene 23, 24 for overføring av gass og olje og tømmeanordningene for gass, olje og vann 6, 7 og 18.

Under bruk opprettholdes trykket i kolonnens 1 nedre ende 8 ved hjelp av det foran nevnte utstyr og styreanordninger, i det vesentlige lik med trykket på utsiden av kolonnen ved havbunnen.

Kolonnens utforming er sterkt avhengig av de fysiske betingelser under hvilke kolonnen vil benyttes og taues til sjøs til en blåsende brønn. Tilfredsstillelse av slike krav vil konsekvent overstige de krav som stilles fra trykkforholdene i forbindelse med driften av kolonnen slik at kolonnen derved kan benyttes ved dybder ned til mer enn 300 m i like stor grad som ved grunt vann.

Kolonnen 1 kan, dersom det er hensiktsmessig, også benyttes som en ekstra sikkerhetsmargin ved boreoperasjoner ved å plassere kolonnen over sikkerhetsventilen på bunnen og å bore gjennom toppen av kolonnen som er konstruert og utstyrt for dette formål.

For bruk ved grunt vann kan kolonnen være utstyrt med en brannvegg og brannslukningsanordninger for å motstå brennende olje og gass ved havflaten under installasjon av kolonnen.

Ballasterings- og lagertankene 27 kan benyttes for

å trimme belastningen på kolonnens konstruksjon når den står på sjøbunnen for å holde den stabil avhengig av bunnforholdene ved den spesielle brønn, i tillegg til ballastering under nedsenking og for lagringsformål for olje og/eller vann under drift.

Under nedsenking er ventilene 4, 4a, 5 og 18 åpne for å tillate fri strømning av gass og olje gjennom kolonnen. Etter installasjon på sjøbunnen og nødvendig ballastering, stenges ventilene forsiktig og oljepumpene startes, idet ventiler, pumper og annet utstyr er fjernstyrt via kabler fra en betjeningslekter, idet slikt utstyr og slike rørsystemer normalt styres automatisk.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved oppfanging og separasjon av gass, vann og olje som kontrollert eller ukontrollert strømmer ut fra en ol je/gassbrønn (2') i havbunnen hvor ol je/gassblandingen fra brønnen (2) ledes inn i en vertikaltstilt kolonne slik at det i dennes indre bygges opp en oljesøyle (10) og et øvre parti (11) med gass som frigjøres fra olje/gassblandingen, idet olje/gassblandingens bevegelse avbremses av oljesøylen, oljens og gassens trykkmengde i kolonnen (1) reguleres med ventiler (4, 5) for uttak av olje og gass og det øvre parti (11) av kolonnen (1) holdes gassfylt ved at gass ledes kontrollert bort fra kolonnens (1) øvre gassfylte del (11) for brenning, viderebehandling, transport eller lag-ring, KARAKTERISERT VED at den resterende olje/gassblanding bringes til å strømme over en overløpsanordning for derved å utvirke at den i det vesentlige resterende del av gassen fri-gjøres fra blandingen og at den olje som er strømmet over overløpsanordningen ved hjelp av pumpeanordninger ledes videre med i det vesentlige samme trykk som i kolonnens øvre ende.

2. Kolonne for oppfanging og separasjon av gass, vann og olje som kontrollert eller ukontrollert strømmer ut fra en eller flere olje/gassbrønner (2) i havbunnen, omfattende et vertikalt anordnet rør (3) med en lukket øvre ende (9) som har et avledningsorgan (6) for gass med ventilanordninger (4, 4a), anordninger (12) ved rørets (3) nedre ende (8) for plassering av kolonnen (1) på havbunnen (14) og uttaksanordninger (7) med ventilanordninger (5) for føring av olje til overflaten, KARAKTERISERT VED at en overløpsanordning med en overløpskant (15) er anordnet i rørets (3) øvre parti (11), at en overløpskanal (26) er anordnet mellom overløpskanten (15) og røret (3), og at uttaksanordningene (7) for olje omfatter pumpeanordninger (30) og er tilkoblet overløpskanalen (26), idet pumpeanordningene(30) med egnede styreanordninger, er inrettet til å opprettholde overløpskanten (15) som over-løp slik at oljenivået i kanalen (26) holdes lavere enn over-løpskanten (15) .

3. Kolonne ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at rørets (3) nedre ende er lukket, idet olje/gassblandingen føres inn i rørets nedre del, slik at oljens trykk i overløpskanalen (26) og dermed under transport til overflaten, kan velges i det vesentlige uavhengig av det havdyp kolonnen er plassert på.

4. Kolonne ifølge krav 2-3, KARAKTERISERT VED at røret (30) er omgitt av celler (27) for oppdrift, ballastering og deballastering og som er slik innrettet at de kan benyttes som lagertanker for olje.