NO20130430A1 - Separasjonssystem som benytter varme ved kompresjon - Google Patents

Abstract

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler et undervannssystem, hvor undervannssystemet omfatter en separator (1) med en innløpslinje (2) og en utløpslinje (3), en kompresjonsenhet (4) med en innløpslinje (5) og en utløpslinje (6) og en varmeoverføringsenhet (7), hvor utløpslinjen (6) fra kompresjonsenheten (4) føres inn i varmeoverføringsenheten (7), varmeoverføringsenheten (7) er forbundet til innløpslinjen (2) til separatoren. Ifølge oppfinnelsen benyttes varmeoverføringsenheten (7) til overføring av varme mellom i det minste deler av et fluid i innløpslinjen (2) til separatoren og i det minste deler av fluidet i utløpslinjen (6) til kompresjonsenheten (4).

Description

Separasjonssystem som benytter varme ved kompresjon

Den foreliggende oppfinnelsen omhandler et undervannssystem (Eng. subsea system), og spesielt et undervannssystem hvor i det minste noe av varmen i fluidstrømmen, som et resultat av kompresjon av fluidstrømmen, benyttes for å varme en fluidstrøm før den entrer et separasjonstrinn. Dette systemet er spesielt relevant for gassrike fluidstrømmer eller multifase-fluidstrømmer.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Det er mange kjente systemer som tilveiebringer separasjon av en brønnstrøm i ulike faser og deretter transporterer brønnstrømmen til land eller til en plattform. Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en anordning og en fremgangsmåte som tilveiebringer et separasjonssystem med økt kapasitet i tilfeller med en gassrik fluidstrøm eller en multifase-fluidstrøm

Sammendrag av oppfinnelsen

Det er ifølge oppfinnelsen tilveiebragt et undervannssystem omfattende en separator med et fluidinnløp og minst én utløpslinje Undervannssystemet omfatter også en kompresjons enhet for en gassrik fluidstrøm med en innløpslinje og en utløpslinje. Kompresjonsenheten kan være en pumpe, en multifasepumpe, en kompressor eller et annet element som øker trykket i fluidet og på samme tid øker temperaturen i fluidet som et resultat av kompresjon. Systemet er videre utformet med en forbindelse mellom utløpslinjen fra kompresjonsenheten og innløpslinjen til separatoren, som gir varmeoverføringen fra i det minste deler av fluidet i kompresjonsenhetens utløpslinje med separatorens innløpslinje.

Dette gir et separasjonssystem som benytter varme fra gasskomprimering eller gass-væske komprimering (også kalt multifasepumping eller våtgasskompresjon) for å øke temperaturen i prosessfluidet som kommer inn i separasjonsstedet (Eng. separation station), slik at viskositeten til prosessfluidet reduseres og separasjonseffektiviteten i alle de involverte fasene derfor kan økes. Prosessfluidet som kommer inn til separasjonsstedet, oppvarmet av de komprimerte fluidene, vil ha en redusert tendens til å bunnfelle (Eng. deposit) voks eller andre substanser på de interne overflatene til separatorene og annet prosessutstyr for behandling av produsert vann.

En tilleggsfordel i dette systemet er reduksjonen i temperatur til fluidet i kompresjonsenhetens utløpslinje fordi varme transporteres til separatorens innløpslinje og derfor fra fluidet i kompresjonsenhetens utløpslinje. Temperaturøkningen i forbindelse med komprimeringen av fluider vil reduseres som et resultat av varmeoverføring, og derfor gi ytterligere nedstrøms prosessering av separerte eller ikke-separerte prosessfaser, når slik prosessering blir assistert (Eng. aided) av den reduserte temperaturen.

Ifølge oppfinnelsen er en mulig utførelse å tilveiebringe en varmeveksler for varmeoverføring mellom kompresjonsenhetens utløpslinje og separatorens innløpslinjefluid.

En kan benytte alt fluidet i kompresjonsutløpslinjen til varmeoverføring. Dette innebærer å føre alt fluidet ved kompresjonsutløpslinjen gjennom en varmeveksler. En annen mulighet er å tilveiebringe en separasjonsenhet ved utløpet til kompresjonsenheten for å separere ut en del av fluidet ved utløpet til kompresjonsenheten og føre dette gjennom en varmeveksler med fluidet i innløpet til separatoren. Det er også mulig å ha to varmevekslere i parallell nedstrøms kompressoren, én for hver fluidfase ut av separatoren. En annen mulighet er å ha en strømningssplitter ved utløpslinjen til kompressorenheten, for å ta kun en del av fluidet gjennom varmeveksleren. En kan føre alt fluidet fra kompressorutløpslinjen gjennom varmeveksleren med separatorinnløpslinjen eller bare deler av fluidet og så muligens la resten av fluidet bypasse varmeveksleren. Én mulighet er da å samle (Eng. combine) strømmene igjen etter varmeveksleren, eller en annen mulighet er å lede en av strømmene inn i en annen fiuidlinje. En annen mulighet er å ta deler av strømmen ved utløpet fra kompresjonsenheten og mikse denne med brønnstrømmen ved innløpet til separatoren. Denne delen av strømmen kan være en del av en multiphase-strøm eller en del av en fase-delt (Eng phase divided) strøm. Temperaturøkningen i prosessfluidet kan oppnås ved resirkulering av og blanding med prosessfluid som har blitt komprimert i en pumpe eller kompressor, for slik å unngå å bruke en varmeveksler. Med andre ord, blø av en del av det komprimerte prosessfluidet, slippe løs trykket og føre det dirkte inn i prosesstrømmen for å varme denne. Avbløingen kan finne sted etter eller i en mikser for å sikre en jevn fordeling av fasene i de to eller flere strømmene. Kompresjonsenheten, i form av en multifasepumpe eller kompressor, kan ifølge en utførelse være anordnet etter, eller med andre ord, nedstrøms separasjonsstedet. Ved å benytte et system ifølge oppfinnelsen, oppnår man økt effektivitet i separatoren, men også kjøling av fluidstrømmen etter kompresjonsenheten. Separasjonsstedet kan omfatte mange trinn og underprosesser. Multifasepumpen eller kompressoren kan være anordnet mellom separasjonstrinn eller mellom prosessdeler, i henhold til kravene til disse trinnene og prosessdelene.

Enhver gass i prosessfluidet kan separeres fra andre faser etter pumpen eller kompressoren, i henhold til kravene til disse trinnene og prosessdelene. Ved å gjøre dette, kan man ha en varmeveksler ved innløpet til separatoren med kun én fase i fluidet gjennom varmeveksleren. En annen mulighet er å slippe én fase gjennom varmeveksleren og blø av en del av trykket i minst en del av strømmen som ikke strømmer gjennom varmeveksleren for å introdusere denne i prosesstrømmen, for å øke temperaturen under miksingen. En annen mulighet er å la den fasen som ikke strømmer gjennom varmeveksleren i en bypasslinje og remikse denne med den splittede fasen nedstrøms varmeveksleren.

Enhver gass i prosessfluidet kan mellom-separeres (Eng. intermediately separated) fra de andre fasene oppstrøms kompresjonsenheten.

Pumpen eller kompressoren kan alternativt anordnes oppstrøms separasjonsstedet for slik å forbedre separasjonseffektiviteten gjennom temperaturøkning, og/eller for å forhindre voks eller annen temperaturinfiuert bunnfelling på eller inne i prosessutstyret.

Enhver kjøler mellom eller etter separasjonsstedene eller andre prosessdeler kan benyttes til å redusere prosessfluidtemperaturen, i henhold til kravene til utstyret nedstrøms kjøleren.

Det er også en mulighet å anordne systemet med tilleggskilder for oppvarming av fluidstrømmen ved innløpet til separatoren. Dette kan eksempelvis være elektriske varmekilder. En annen mulighet er å varmeveksle kjølefluidet fra motoren til kompresjonsenheten med fluidet i innløpet til separatoren.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

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

Fig. 1 er en skisse av noen mulige konfigurasjoner av oppfinnelsen

Fig. 2 er en mulig utførelse hvor oppfinnelsen er benyttet

Fig. 1 er en skisse av mulige prinsipper av oppfinnelsen. Kun elementer relevante for forståelsen av oppfinnelsen er vist, da det kan være mange tilleggselementer i systemet. På fig. 1 er det et undervannssystem omfattende en separator 1 med en innløpslinje 2 og en utløpslinje 3. Innløpslinjen er forbundet til en oppstrøms kilde hvilken kan være et brønnhode eller en annen oppstrøms undervannsenhet som for eksempel en separator. Det vil normalt være en ekstra utløpslinje fra separatoren 1, hvilken ikke er vist på figurene ettersom den ikke er relevant for oppfinnelsen. I tillegg er det en kompresjons enhet 4 i undervannssystemet, med en innløpslinje 5 og en utløpslinje 6. Kompresjonsenheten kan være en kompressor eller en multifasepumpe. Innløpslinjen 5 til kompresjonsenheten kan som indikert med den stiplede linjen 10 være forbundet direkte til utløpslinjen 3 fra separatoren 1. En annen mulighet er å forbinde innløpslinjen 5 til en annen fluidkilde. Utløpslinjen 6 føres inn i en varmeoverføringsenhet 7 hvilken er forbundet til innløpslinjen 2 til separatoren 1. Denne varmeoverføringsenheten 7 kan være en varmeveksler eller den kan være en mikser. Dersom den er en varmeveksler 7, kan fluidet i utløpslinjen 6 til kompressoren 4 i en utførelse føres gjennom varmeveksleren 7. Når fluidet går ut av denne varmeveksleren, kan fluidet kjøles mens fluidet i innløpslinjen 2 mot separatoren 1 varmes.

En annen mulighet er å tilveiebringe en enhet 8 i form av en separator i utløpslinjen 6 nedstrøms kompresjonsenheten 4. Denne separatoren vil separere utløpsfluidet i utløpslinjen i to strømmer og muligens føre en av disse gjennom varmeveksleren 7 og en annen i bypasslinjen 9. Disse kan kombineres igjen nedstrøms eller ledes til forskjellig undervannsutstyr. En annen mulighet er å utforme enheten 8 som en splitter, som splitter fluidet i utløpslinjen 6 i to eller flere strømmer, hvorav én eller flere ledes gjennom en varmeveksler 7.

En annen mulighet er å la enheten 8 splitte en del av fluidet i utløpslinjen 6 og så introdusere dette inn i en mikser 7 etter at trykket er blødd av for miksing med fluidet i innløpslinjen til separatoren 1.

Også innløpslinjen til separatoren 2 kan deles med en del gjennom en varmeveksler og en del som en bypass.

Fig. 2 viser en mulig utførelse av implementering av oppfinnelsen. Separasjonsprosessen omfatter et første separasjonstrinn og et andre

separasjonstrinn, i form av primær- og sekundærseparasjon, muligens anordnet i en første og andre separator. Det er anordnet en første kompresjonsenhet 12 nedstrøms den andre separatoren og det kan muligens også være anordnet en kompresjonsenhet 11 oppstrøms minst en av separatorene, i figurene indikert med en

kompresjonsenhet 11 oppstrøms den første separatoren. Fluidet som strømmer ut av den andre separatoren trykksettes i én kompresjonsenhet 12 og føres så gjennom en første varmeveksler anordnet mellom den første og andre separatoren og så videre gjennom en mulig varmeveksler oppstrøms det første separasjonstrinnet. Varmeveksleren oppstrøms det første separasjonstrinnet er anordnet mellom separatoren an mulig oppstrøms kompresjonsenhet. Det er mulig kun å benytte én varmeveksler i en av de ovenfor nevnte plasseringene. Det er også mulig å benytte kun én kompresjonsenhet i denne konfigurasjonen. Produsert vann fra de første og andre separasjonstrinnene føres inn i en behandlingsenhet for produsert vann. Oljefrastøter (Eng. Oily reject) 15 kan fra denne behandlingsenheten introduseres i strømmen oppstrøms det første eller andre separasjonstrinnet. Vannet som skal re-mj iseres føres ut fra behandlingsenheten til en vann-reinjeksjonspumpe 13. Deler av strømmen fra pumpen kan gjeninnføres (Eng. Reintroduced) 16 inn i behandlingsenheten.

Her er kompresjonen eller multifasepumpingen 11, 12 lokalisert ved ulike trinn i prosessen, i dette tilfellet oppstrøms det første prosesseringstrinnet og etter det andre separasjonstrinnet.

Den første kompresjonsenheten 11 øker strømningstemperaturen slik at eksempelvis risikoen for voks-utskillelse i olje- og vann behandlingsdelene i prosessen, reduseres. Temperaturøkningen forbedrer også separasjonseffektiviteten, og muliggjør muligens bruken av mindre separasjonstanker når det kommer til størrelse og vekt. Videre, med to-trinns pumping, kan størrelsen på injeksjonsvannpumpen 13 reduseres. Oppvarmet injeksjons vann har i tillegg lavere viskositet, hvilket kan forbedre vannpermeabiliteten inn i reservoaret.

Fordelen med multifasekompresjon i ett eller mange trinn med varmeveksling, er ikke bare det at strømmen som forlater undervannsprosessen for ytterligere prosessering eller transport avkjøles. Gitt at det krevde injeksjonsratevanntrykket er høyere enn prosesstrykket oppstrøms, så er det tilgjengelig vanntrykk for resirkulering tilbake inn i produsert vann behandlingsprosessen. Ett-trinns multifasekompresjon oppstrøms separasjonsprosessen vil ikke tilrettelegge for dette. Med arrangementet på fig. 2, maksimeres temperaturen i strømmen 14 fordi vann fjernes fra strømmen 14, gass-volum-fraksjonen inn i pumpe eller kompressor 12 maksimeres fordi vann fjernes, og temperaturen ut av 12 øker, gass inkluderes på den varme siden varmeveksleren, og denne gassen har en relativt høy varmekapasitet ved normale prosesseringstrykk.

Et ytterligere arrangement, ikke vist på fig.l eller fig. 2, vil være å splitte gass- og oljestrømmen (ut fra den siste pumpen) og føre den enten som separate strømmer av gass og væske, eller som splittede multifasestrømmer, til to eller flere varmevekslere.

Et annet mulig arrangement, heller ikke vist på fig. 1 eller fig. 2, er å kjøle deler av strømmen ut fra pumpe eller kompressor 12 med sjøvann, og ikke varmeveksle denne delen med prosesstrømmen.

Et annet mulig arrangement, heller ikke vist på fig. 1 eller fig. 2, er å ha en bypasslinje rundt varmeveksleren for å kontrollere fiuidstrømningsraten inn i varmeveksleren for slik også å optimere mengden av varme overført i hver anordning. Varmeveksleren kan også anordnes i parallell eller i serie. På fig. 2 kan prosesseringen nedstrøms være en kjøleenhet for utskillelse av voks fra olje, slik at en rørledning ikke vil tettes med voks når oljen kjøles. Varmevekslingen hjelper til i nedstrøms prosesser som dette. For å forhindre "top-of-the-line"-korrosjon, kan varmevekslingen også være en del av en kjølesekvens for å kondensere vann fra gassfasen, for å oppnå kontrollert miksing med korrosjonsinhibert vannfase. På fig. 2 kan den oljete avviste strømmen fra det produserte vannbehandlingsstedet rekombineres med prosesstrømmen opp- eller nedstrøms hvert separasjonstrinn. Oppfinnelsen har nå blitt forklart med referanse til de vedlagte tegningene og utførelsene. Det kan gjøres endringer og modifikasjoner på disse utførelsene som er innenfor rammen til oppfinnelsen som definert i de vedlagte kravene. Det er også mulig å kombinere trekk fra de ulike utførelsene i en annen utførelse av oppfinnelsen.

Claims (14)

1. Undervannssystem omfattende en separator (1) med minst en innløpslinje (2) og minst en utløpslinje (3) og en kompresjonsenhet (4) med en innløpslinje (5) og en utløpslinje (6) og en varmeoverføringsenhet (7) for overføring av varme mellom i det minste deler av fluidet i innløpslinjen (2) til separatoren (1) og i det minste en del av fluidet i utløpslinjen (6) fra kompressorenheten (4).

2. Undervannssystem ifølge krav 1, hvor kompresjonsenheten (4) er en multifasepumpe.

3. Undervannssystem ifølge krav 1, hvor kompresjonsenheten (4) er en kompressor.

4. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor varmeoverføringsenheten (7) er en varmeveksler.

5. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor det omfatter en splitter nedstrøms kompresjonsenheten (4) for å splitte ut en del av fluidet i utløpslinjen (6) og føre inn i en mikser (7) med innløpslinjen (2) oppstrøms separatoren (1).

6. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor innløpslinjen (5) til kompresjonsenheten (4) er forbundet til utløpslinjen (3) til separatoren (1).

7. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor utløpslinjen (6) til kompresjonsenheten (4) er forbundet til en nedstrøms voksutskillingsenhet.

8. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor varmeoverføringsenheten (7) er utformet med en tilleggsvarmekilde.

9. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor systemet omfatter minst en andre kompresjonsenhet anordnet oppstrøms separatoren.

10. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor systemet omfatter minst to-trinnsseparasjon, med en første og en andre separator.

11. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor systemet omfatter minst en varmeveksler anordnet nedstrøms kompresjonsenheten som er anordnet nedstrøms separatoren, og oppstrøms minst en av separatorene for å varmeveksle prosessfluidet oppstrøms et separasjonstrinn.

12. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor systemet omfatter en varmeveksler oppstrøms hvert separasjonstrinn.

13. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor det omfatter en separator oppstrøms varmeveksleren og nedstrøms kompresjonsenheten, slik at varmevekslingen skjer i parallell med splittede faser, eller én fase bypasser varmeveksleren eller mikses inn i prosessfluidet.

14. Undervannssystem ifølge et av de foregående kravene, hvor det omfatter en separator oppstrøms varmeveksleren, og en bypasslinje for minst en fase rundt varmeveksleren.