NO20110138A1 - Undervanns trykkokningssystem - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen vedrører et undervanns trykkøkningssystem til bruk i en fjerntliggende lokasjon slik som en undervanns hydrokarbonproduksjonsfasilitet, omfattende en forbindelse til en kilde for drivfluid med høyere trykk og en forbindelse til et område for dumping av drivfluid mened lavere trykk, en akkumulator og midler for å danne trykkpulser i drivfluidet, hvilke midler er forbundet til akkumulatoren og konfigurert slik at drivfluid blir tilsatt eller fjernet fra akkumulatoren, hvilken akkumulator videre omfatter et innløp og et utløp fortrykkøkning av et andre fluid. Oppfinnelsen vedrører også en metode for å øke trykket i en væskedel i en tofase brønnstrøm.

Description

Undervanns trykkøkningssystem

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler et system for å øke trykket i et fluid for bruk i en fjertliggende lokasjon slik som en undervanns

hydrokarbonproduksjonsfasilitet, samt en fremgangsmåte for samme.

I mange områder vil trykket i et hydrokarbonreservoar synke etterhvert som reservoaret blir tømt (eng. depleted). I denne forbindelse, for å muliggjøre økt utvinning av hydrokarboner, har det blitt en utstrakt bruk av utstyr for å øke utvinningen (eng. boosting equipment). Et eksempel på dette er gass-løftesystemer. Et annet er den såkalte ESP'en som er elektriske nedsenkbare pumper som er opphengt (eng. suspended) i en hydrokarbonbrønn og som øker trykket og muliggjør at hydrokarbonene blir løftet til overflaten. Ulempen med et slikt system er at hver brønn trenger en pumpe med tilhørende kraftforsyning og kontrollsystem. En annen ulempe er at det kun er væskepumper som er anvendbare i slike situasjoner fordi kompressorer er vanskeligere å få til å fungere brønner. Noen kjente systemer er beskrevet i søkerens egen søknad NO 20093258, og ellers i publikasjonene US 5290151, US 3486297 og EP 579497.

Det er derfor en økende interesse for plassere utstyret for å øke utvinningen på havbunnen og å pumpe brønnfluider innsamlet fra flere brønner. Dette muliggjør også bruken av separatorer slik at hver fase av brønnfluidene (gass, olje eller vann) kan bli separert fra hverandre og transportert til forskjellige lokasjoner og eller at de blir forsterket (eng. boost) separat. For eksempel kan vann bli separert fra brønnstrømmen og reinjisert inn i grunnen for slik å spare plass og bearbeidingsutstyr på plattformen.

Et ytterligere faktum er at nye felt blir funnet på dypere vann og lenger unna land. Dette stiller krav til at systemene for kraftforsyning og kontroll har lang rekkevidde.

Mange undervanns prosesseringsanlegg med prosessforsterkning krever flere pumper i tillegg til en hovedforsterker (eng. main booster). Tradisjonelt så er undervannspumper store, tunge og komplekse enheter som også krever elektrisk kraftforsyning og forsyning av barriereoljetilførsel (eng. barriere oil supply) over en lang distanse. Det elektriske systemet er i seg selv veldig komplisert og dyrt, og inkluderer for eksempel penetratorer (eng. penetrators), konnektorer, kabel, transformatorer og motorkontrollsystemer. Hvis verten for elektrisk kraft og barriereolje er et fartøy eller en plattform, vil pumpeleveringsmateriellsystemene (eng. pump supply systems) okkupere meget verdifullt dekksareal.

Hydrokarboner fra brønner kan inndeles i mange typer, hvorav to hovedtyper og hvor den ene er der hvor det er for det meste gass med noe vann og/ eller olje og den andre er der hvor det er for det meste olje med noe vann. I noen tilfeller kan det være tre faser, gass, olje og vann. Brønnstrømmen blir separert i separate faser i en separator. Vannet kan fortrinnsvis injiseres tilbake i formasjonen.

I anvendelser med flere separasjonstrinn blir det separerte prosessmediet fra de senere trinnene blandet med det separerte prosessmediet fra det første trinnet. Ettersom prosessmediet mister trykk gjennom separasjonstrinnene må prosessmediene fra de senere trinnene bli forsterket for å oppnå det samme trykket som prosessmediet fra det første separasjonstrinnet. En vanlig løsning for å forsterke trykket i prosessmediet fra de senere separasjonstrinnene er å benytte en ejektor som bruker et annet trykkøkningsmedium som drivfluid (eng. motion fluid). Ejektorløsningen har imidlertid ulempene med at det er lite effektivt, samt blandingen av drivfluid med mediet som blir drevet (eng. driven medium).

Et annet aspekt er at konvensjonelle sentrifuge- eller skruepumper har begrenset toleranse for sand, noe som også kan være tilstede i det foreliggende produserte mediet. Vanlige løsninger innebærer enten å la sanden gå gjennom pumpen og benytte høygradsmaterialer (eng. high grade materials) og belegg, eller, dersom sandproduksjonen er veldig høy, å separere sanden oppstrøms pumpen og lede sanden utenom (eng. bypass) ved bruk av en ejektor. Dette ejektorsystemet er forholdsvis komplekst og krever en høy strømningsrate av drivfluid.

Det er derfor et behov for en annen løsning for å forsterke (eng. boost) et fluid undervanns.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et enklere system som ikke trenger dedikert tilførselsstøtte av hjelpeutstyr (for eksempel elektrisk kraft og barrierefluid) fra en ekstern vert eller eventuelt kun i en begrenset mengde, og som derfor kan være mer eller mindre selvstyrende (eng. autonomous). Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe et system som er robust mot sand og som er i stand til å pumpe viskøse sandblandinger (eng. sand slurries).

Dette er oppnådd med et system slik det er definert i kravene. Dette er ifølge oppfinnelsen oppnådd ved å benytte et tilgjengelig trykkøket (eng. pressurized) undervannsfluid som drivfluid (eng. motive fluid) i systemet og ved at systemet videre omfatter en akkumulator og midler for å danne trykkpulser i drivfluidet ved inngangen til akkumulatoren for å betjene (eng. operate) systemet.

Det er tilveiebragt et undervanns trykkøkningssystem (eng. pressurizing system) til bruk i en fjerntliggende lokasjon slik som en undervanns

hydrokarbonproduksjonsfasilitet. Systemet kan benyttes for å øke trykket i en flerfase brønnstrøm med et lite antall enheter. Systemet omfatter ifølge oppfinnelsen en forbindelse til en kilde med drivfluid med høyere trykk og en forbindelse til et område for dumping av drivfluid med lavere trykk, samt midler for

å danne trykkpulser eller, med sagt med andre ord, midler for å danne syklisk trykk i drivfluidet. Disse midlene er forbundet til en akkumulator og er anordnet for å tilsette eller fjerne drivfluid fra akkumulatoren. Akkumulatoren omfatter videre et innløp og et utløp for å øke trykket (eng. pressurize) i et andre fluid. Ved å tilsette et fluid med et høyere trykk til akkumulatoren vil trykket i akkumulatoren øke, og trykket i det andre fluidet vil øke. Når trykket i det andre fluidet er høyt nok vil dette fluidet kunne strømme ut av akkumulatoren og inn i et system for videre bearbeiding. Etter at dette har skjedd vil tilsettingen av drivfluid bli stengt av og drivfluidet, som nå har et lavere trykk, vil bli ledet til et område for dumping. Dette tillater en innstrømning av det andre fluidet til akkumulatoren, og mengden av dette andre fluidet vil bli trykkøket når drivfluidet tillates å tilsettes i akkumulatoren

igjen. Ved å repetere dette får man øket trykket i det andre fluidet. Drivfluidet er et fluid som er tilstede undervanns (eng. subsea), muligens (eng. possibly) en gass som er separert ut fra brønnstrømmen og som har blitt trykkøket i en gasskompressor. Det andre fluidet kan være restene fra brønnstrømmen, muligens en olje eller en blanding av olje og vann, begge muligens med sand. En annen mulighet er å ha drivfluidet som et trykkøket injeksjonsfluid, fortrinnsvis en gass som skal injiseres inn i en brønn eller en fluidstrøm men hvor en mengde av dette avledes for å betjene systemet i henhold til oppfinnelsen.

Med et system slik som beskrevet i foreliggende oppfinnelse kan en øke trykket i et andre fluid uten at en trenger en spesifikk pumpe til det andre fluidet. Det er et enkelt og robust design fordi en har fjernet nesten alle bevegelige deler. I motsetning til i en pumpe så er det ikke noen problemer knyttet til utmatting (eng. fatigue problems) eller til en membran i en pumpe for å øke trykket i det andre fluidet. Ventilene i dette systemet kan ha lengre levetid fordi på/av- syklusene kan være lengre sammenlignet med et system hvor det benyttes en pumpe. Akkumulatoren kan enkelt bli skalert for å møte kapasitetskravene i forskjellige applikasjoner. I systemet kan det også være anordnet flere akkumulatorer i parallell som opererer enten synkront eller i forskjellige intervaller i forhold til hverandre. Slik tilveiebringes en mer kontinuerlig strømning av det trykkøkede andre fluidet ut fra systemet. Sammenlignet med et system hvor det benyttes en pumpe er det en relativt liten investeringskostnad og en reduserer graden av kvalifisering (eng. qualification scope).

Midlene for å danne trykkpulser i drivfluidet kan, ifølge et aspekt, omfatte et treveis ventilsystem forbundet til akkumulatoren, hvilket ventilsystem er konfigurert til enten å tillate drivfluid med høyere trykk inn i akkumulatoren eller å la drivfluid med lavere trykk strømme ut av akkumulatoren. Ventilsystemet kan også ha et trinn eller en posisjon mellom disse trinnene eller posisjonene som stenger både for innstrømning av drivfluid med høyere trykk og utstrømning av drivfluid med lavere trykk. En annen mulighet er å ha for eksempel to separate ventiler som betjenes med et felles kontrollsystem som er anordnet ved et innløp og ved et utløp til akkumulatoren.

Ifølge et annet aspekt kan forbindelsen til kilden med drivfluid med høyere trykk være en forbindelse forbundet til en fluidlinje nedstrøms trykkøkningsenheten, og forbindelsen til et område for dumping av drivfluid med lavere trykk kan være en forbindelse forbundet ved en posisjon i fluidlinjen som er anordnet oppstrøms denne trykkøkningsenheten. Ifølge en utførelse kan trykkøkningsenheten være et trinn i en gasskompressor og drivfluid vil da være en gass. Trykkøkningsenheten kan være ett eller en kombinasjon av flere enn ett trinn av en flertrinns (eng. multistage) kompressorenhet eller muligens hele kompressoren. Forbindelsespunktet til kilden for drivfluid med høyere trykk vil blø av en mengde av drivfluidet med høyere trykk. Avbløingen kan gjøres etter ett trinn i en flertrinnskompressor eller i fluidlinjen nedstrøms kompressoren. Forbindelsen bør fortrinnsvis være nærme kompressoren for å få minst mulig trykktap i systemet.

Ifølge et annet aspekt kan forbindelsen for forbindelse til området for dumping av drivfluid med lavere trykk være en forbindelse til en separator anordnet oppstrøms gasskompressortrinnet. Separatoren kan være en væskeutskiller (eng. scrubber) eller en annen type separator. Forbindelsen kan alternativt forbindes til en sugelinje (eng suction line) direkte til gasskompressoren istedenfor til separatoren.

Ifølge et annet aspekt kan det andre fluidet som skal trykkøkes være en væske, fortrinnsvis en væske som trekkes ut fra separatoren. I dette tilfellet vil området for dumping ha det samme trykket som trykket i væsken som skal trykkøkes da disse er i den samme enheten. Separatoren kan alternativt være en væskeutskiller, en annen type separator eller en annen bearbeidingsenhet (eng. treatment unit).

Ifølge et annet aspekt kan det være anordnet tilbakeslagsventiler ved innløpet og utløpet til det andre fluidet som skal trykkøkes. Det kan være et separat innløp og utløp for det andre fluidet til akkumulatoren. En annen mulighet er å ha et reelt (eng. actual) innløp som også fungerer som et utløp, hvor denne fluidlinjen på utsiden av akkumulatoren blir delt i to linjer og hvor tilbakeslagsventilene er anordnet i de to fluidlinjene. Tilbakeslagsventilene vil bli konfigurert slik at de tillater fluid fra akkumulatoren til en linje med et drivfluid med høyere trykk, og fluid fra et område, hvilket område er kilden for det andre fluidet som skal trykkøkes, inn i akkumulatoren, hvor trykket i dette området er lavere enn trykket i linjen. Området kan være en separator, muligens en væskeutskiller eller en annen type separator.

Ifølge et aspekt kan utløpet til det andre fluidet fra akkumulatoren være forbundet til en fluidlinje nedstrøms punktet hvor drivfluidet blir ledet inn i akkumulatoren. Ifølge et annet aspekt kan det være anordnet en kjøler i fluidlinjen nedstrøms gasskompressoren og forbindelsespunktet for drivfluidet, og oppstrøms punktet hvor det trykkøkede andre fluidet innføres i fluidlinjen.

Med et system ifølge oppfinnelsen har en et system hvor hamring (eng. hammering) i innløpsvæsken, muligens vann, kan bli eliminert ved å tillate at væskenivået i separatoren blir balansert med væskenivået i akkumulatoren før utløpstrykket (eng. discharge pressure) blir påført. Gassvolumet i akkumulatoren kan bli benyttet til dempning. Systemet vil være selvregulerende og kan betjenes tørt eller vått (eng. dry or wet). Det vil også, sammenlignet med et system med en resiprokerende pumpe, eliminere problemet relatert til differensialtrykket over membranen eller stempelet ved endeposisjonene.

Oppfinnelsen er også relatert til en fremgangsmåte for å øke trykket i en væskedel i en tofase brønnstrøm, omfattende stegene å separere ut en fluidfase fra brønnstrømmen, øke trykket i nevnte ene fluidfase, og trekke ut noe av fluidet som er trykkøket for å benyttes som drivfluidet ved trykkøkning av den andre fasen av brønnstrømmen.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med ikke-begrensende utførelser med referanse til de tilhørende tegningene, hvor

Fig. 1 viser en prinsipiell skisse av en første utførelse av oppfinnelsen og

Fig. 2 viser en andre utførelse av en detalj av oppfinnelsen.

I fig. 1 er det vist en brønnfluidlinje 1 som leder inn i en separator 2, hvor separatoren er i form av en væskeutskiller. I væskeutskilleren separeres brønnfluidet i minst en væskefase og en gassfase. Væskefasen kan omfatte både en vanndel og en oljedel (eng. water part and oil part). Separasjonen av de to fasene er indikert i væskeutskilleren 2 med linjen 20. Det er et trykk Po i væskeutskilleren 2. Ved det høyeste punktet i væskeutskilleren 2 er det et utløp 21 for gassfasen som leder gjennom en fluidlinje 3 til en trykkøkningsenhet 4 eller kompressor som komprimerer gassen til et trykk P]ved utløpet til kompressoren 4. Ved utløpet til kompressoren er det en fluidlinje 5.1 denne fluidlinjen 5 er det et forbindelsespunkt 51 som forbinder en rørlinje 11 til fluidlinjen 5. Rørlinjen 11 leder en del av den komprimerte gassen til en akkumulator 7 gjennom trykkpulsmidler 6 eller et ventilsystem eller toveisventil. Toveisventilen vil i en posisjon tillate trykkøket gass fra kompressorutløpet gjennom forbindelsespunktet 51 og rørlinjen 11 inn i akkumulatoren 7, og i en posisjon tillate gass fra akkumulatoren 7 gjennom en rørledning 12 til en væskeutskiller 2 med et innløp 22 i væskeutskilleren 2. Det er anordnet en kjøler 10 nedstrøms forbindelsespunktet 51 i fluidlinjen 5. Det er anordnet et andre forbindelsespunkt 52 nedstrøms kjøleren 10, gjennom hvilket forbindelsespunkt et trykkøket fluid blir tilsatt fluidlinjen 5 med et trykk P2. Dette forbindelsespunktet 52 er forbundet til akkumulatoren 7 med en tilbakeslagsventil 9 i denne forbindelsen. Akkumulatoren er videre også forbundet til bunnen av væskeutskilleren 2 ved et utløp 23 med en tilbakeslagsventil 8 i denne forbindelsen som tillater fluid fra væskeutskilleren 2 inn i akkumulatoren 7. Brønnstrømmen som ledes inn i separatoren blir separert i en gasstrøm, som blir trykkøket i en kompressor, og en væskestrøm som blir trykkøket med systemet ifølge oppfinnelsen, og deretter blir begge strømmene samlet og transportert til andre lokasjoner.

I fig. 2 er det vist en andre utførelse av akkumulatoren 7, hvor de to fluidene i akkumulatoren separeres fra hverandre ved bruk av et flytende stempel 24 i akkumulatoren 7.

Oppfinnelsen har blitt beskrevet med referanse til ikke-begrensende utførelser. En fagmann på området vil forstå at det kan bli laget endringer og modifikasjoner ved utførelsene som er innenfor omfanget av kravene, og at det er mange andre måter å benytte oppfinnelsen på.

Claims (7)

1. Undervanns trykkøkningssystem til bruk i en fjerntliggende lokasjon slik som en undervanns hydrokarbonproduksjonsfasilitet,karakterisert veda t systemet omfatter; en forbindelse (51) i en fluidlinje (5) nedstrøms en trykkøkningsenhet (4), trykkøkningsenheten er i form av en gasskompressor, til en kilde med drivfluid med høyere trykk, drivfluidet er i form av en gass, en forbindelse ved en posisjon i fluidlinjen anordnet oppstrøms trykkøkningsenheten (4) til et område for dumping av drivfluid med lavere trykk, området for dumping er i form av en separator, en akkumulator (7) og midler for å danne trykkpulser i drivfluidet, hvilke midler (6) er forbundet til akkumulatoren (7) og konfigurert slik at drivfluid blir tilsatt eller fjernet fra akkumulatoren (7), akkumulatoren (7) omfatter videre et innløp og et utløp for et andre fluid som skal trykkøkes.

2. Undervanns trykkøkningssystem ifølge krav 1,karakterisert veda t midlene for å danne trykkpulser i drivfluidet omfatter et toveis ventilsystem (6) forbundet til akkumulatoren (7), hvilket ventilsystem (6) er konfigurert for enten å tillate drivfluid med høyere trykk inn i akkumulatoren (7) eller drivfluid med lavere trykk ut av akkumulatoren (7).

3. Undervanns trykkøkningssystem ifølge krav 1 eller 2,karakterisertved at det andre fluidet som skal trykkøkes er en væske som er trukket ut fra separatoren (2).

4. Undervanns trykkøkningssystem ifølge krav 1 eller krav 3,karakterisert vedat det ved innløpet og utløpet til akkumulatoren (7) for det andre fluidet som skal trykkøkes er anordnet tilbakeslagsventiler (8, 9).

5. Undervanns trykkøkningssystem ifølge krav 1,karakterisert veda t utløpet til det andre fluidet fra akkumulatoren (7) er forbundet til en fluidlinje nedstrøms punktet (52) hvor drivfluidet blir ledet inn i akkumulatoren (7).

6. Undervanns trykkøkningssystem ifølge et av de foregående kravene,karakterisert vedat det er anordnet et flytende stempel (20) mellom de to fluidene i akkumulatoren (7).

7. Fremgangsmåte for å øke trykket i en væskedel i en tofase brønnstrøm, omfattende stegene å - separere ut en fluidfase fra brønnstrømmen, - øke trykket i nevnte ene fluidfase nedstrøms separeringstrinnet, - trekke ut noe av fluidet som er trykkøket for benyttelse som drivfluidet ved trykkøkning av en annen fluidfase, væskedelen, av brønnstrømmen i en akkumulator (7), hvorved - å tilsette til eller fjerne drivfluid fra akkumulatoren (7) ved å danne trykkpulser i akkumulatoren (7) og øke trykket i den andre fluidfasen i akkumulatoren (7).