NO20131744A1 - Undersjøisk fluid-prosesseringssystem - Google Patents

Description

Undersjøisk fluid-prosesseringssystem

Foreliggende oppfinnelse vedrører et fluid-prosesseringssystem som omfatter en undersjøisk pumpe og/eller kompressor som blir kjørt og som tjener til transport av produksjonsfluid fra en undersjøisk hydrokarbonbrønn til en mottaksstasjon på overflaten eller på land.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk

Pumper eller kompressorer som arbeider over havnivå vil normalt arbeide med konstant sugetrykk, og har derfor ikke problemer med å holde seg innenfor driftskravene for pumpe eller kompressor under overgangsoperasjoner, slik som start- og stopp-sekvenser. Kompressorer og pumper som arbeider under havnivået er derimot utsatt for langt mer dynamiske tilstander, spesielt hvis de er installert umiddelbart nedstrøms for en produksjonsbrønn. Noen av de dynamiske tilstander som under-sjøiske pumper og kompressorer må være konstruert for, er forklart nedenfor.

For eksempel vil sugetrykket ved start av en undersjøisk pumpe eller kompressor være lik stengetrykket for brønnen, på grunn av nullstrømningsstilstand. Dette trykket vil kunne være høyere enn utløpstrykket fra en kompressor ved en viss, nominell strømning. Dette sugetrykket vil falle så snart brønnfluid begynner å strømme. Nedstenging av pumpe eller kompressor er det motsatte av en startsekvens og inkluderer en økning av sugetrykket, eventuelt slik at driftspunktet beveger seg utenfor spesifikasjonene for pumpe eller kompressor.

For pumper f.eks., er det viktig å holde seg innenfor anbefalt driftsområde (ved høye turtall), og en strøm høyere enn 1,5 ganger punktet med best effektivitet er for det meste uønsket. Ved høyere strøm øker risikoen for kavitasjon og vibrasjon. Vibrasjon blir forårsaket av dårlig tilpasning av strømnings-vinkler i impellerinnløpet. En løsning av dette kunne være å kjøre pumpen med lavere turtall, men dette er ikke alltid mulig, fordi motoren krever et minimumsturtall for at lagrene skal bære rotoren, osv.

Ved drift av pumper eller kompressorer i undersjøiske fluid-prosesseringssystemer er det således et problem å opprettholde driften av pumpe eller kompressor innenfor driftskravene til enhver tid.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å fremskaffe en løsning som er teknisk ukomplisert og økonomisk rimelig, der en pumpe og/eller kompressor kan holdes innenfor spesifiserte drifts-forhold i et undersjøisk fluidprosesseringssystem.

Hensikten blir oppfylt ved et undersjøisk fluidprosesseringssystem som omfatter et systeminnløp som kan kobles til en importledning for en fluidstrøm som blir produsert oppstrøms for systemet og et systemutløp som kan kobles til en eksportledning for videre transport av fluidstrømmen nedstrøms for systemet. En forbiføringsledning er innrettet og kan innstilles for tilkobling og frakobling av systemet fra fluidstrømmen, og i tillegg er en strømningsbane innrettet som forbinder system-innløpet med systemutløpet. En pumpe og/eller kompressor er installert i strømningsbanen, og pumpen eller kompressoren er innrettet til å motta fluid via systeminnløpet og kan sørge for utløp av fluid via systemutløpet. Det undersjøiske fluidprosesseringssystemet omfatter videre et sett av ventiler på til-førselssiden og/eller på utløpssiden av henholdsvis pumpen eller kompressoren, og ventilene kan styres til å sette pumpen eller kompressoren i kommunikasjon med fluidstrømmen. Hver sett ventiler omfatter en hovedventil og en sekundær ventil innrettet i parallell i strømningsbanen, der hovedventilen er dimensjonert for en normal prosesstrøm og den sekundære ventilen er dimensjonert for en partiell prosesstrøm, idet hovedventilen og sekundærventilen er individuelt innstillbare for individuelle eller kombinerte strømmer over ventilene.

Den sekundære ventilen har derfor mindre størrelse enn hovedventilen, som er dimensjonert for full produksjonsstrøm, og sekundærventilene er dimensjonert for en partiell strøm og kobles inn ved flukturerende trykktilstander slik som under oppstart- eller nedstengingsprosedyrer. Hovedventilen kan med andre ord ha en åpning med en første diameter og den sekundære ventilen en åpning med en andre diameter som er mindre enn den første diameteren. Spesielt kan den sekundære ventilen ha en åpning med en andre, fast diameter som er mindre enn den første diameteren.

Sekundærventilen kan være betraktelig mindre enn hovedventilen, slik at det dannes et trykkfall over ventilen. Mer nøyaktig kan den andre åpningens diameter være dimensjonert til å generere et trykkfall over den sekundære ventilen i størrelsesorden 1-5 bar høyere enn trykkfallet som blir generert av diameteren av den første åpningen i hovedventilen.

Settene med hovedventil og sekundærventil i parallell vil på denne måten isolere og beskytte pumpe og/eller kompressor fra trykkvariasjoner i fluidstrømmen på innløpssiden og/eller utløpssiden av pumpen eller kompressoren. Ved dette vil de sekundære ventilene sørge for et trykkfall som sikrer at det roterende undersjøiske utstyret til enhver tid arbeider innenfor den spesifiserte driftsbetingelser, også under oppstart, henholdsvis nedstenging.

For eksempel er, under oppstartsprosedyren, ventilen i hovedinnløp og/eller utløp av pumpen eller kompressoren stengt mens den sekundære ventilen er åpen. Fordi det tar tid før reservoartrykket å stabilisere seg, blir produksjonsfluid i starten prosessert kun gjennom den sekundære ventilen, og når trykket er stabilisert blir hovedventilen åpnet for full produksjonsstrøm. Under nedstengingsprosedyren blir sekundærventilene åpnet før stenging av hovedventilene, slik at det dannes en jevn overgang fra full produksjonsstrøm til null. Følgelig blir det i et annet aspekt av oppfinnelsen skaffet en fremgangsmåte med sekvensiell drift av et undersjøisk fluid-prosesseringssystem under oppstart eller nedstenging, idet en pumpe og/eller kompressor er innrettet i en strømningsbane som forbinder et systeminnløp med et systemutløp i det undersjøiske fluidprosesseringssystemet, der fremgangsmåten omfatter: • innretning av en hovedventil dimensjonert for en normal prosesstrøm, og en sekundær ventil dimensjonert for en partiell prosesstrøm, i parallell i strømningsbanen på tilførselssiden og/eller utløpssiden av henholdsvis pumpe eller kompressor,

åpning av den sekundære ventilen før åpning av hovedventilen i oppstartsfasen, og åpning av den sekundære ventilen før stenging av hovedventilen under nedstengingsfasen.

Oppfinnelsen kan implementeres i undersjøiske systemer som prosesserer væske, gass, våtgass eller multifasefluid. I et kompresjonssystem for gass eller våtgass i henhold til oppfinnelsen er en væske/gass-separator innrettet i strømnings-banen på tilførselssiden av en kompressor. En væskeledning forbinder separatoren med systemutløpet, og en pumpe i væskeledningen tjener til utløp av væske fra separatoren. Et sett av ventiler er innrettet i væskeledningen på utløpssiden av pumpen, der ventilsettet omfatter en hovedventil og en sekundærventil innrettet i parallell i væskeledningen, hovedventilen er dimensjonert for en normal strøm og den sekundære ventilen dimensjonert for en partiell strøm, idet hovedventil og sekundærventil er individuelt innstillbare for individuell eller kombinert strømning gjennom ventilene.

Ytterligere detaljer ved oppfinnelsen vil bli diskutert nedenfor.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

Utførelser av oppfinnelsen vil bli forklart nedenfor med henvisning til de vedlagte skjematiske tegningsfigurene som viser: Figur 1 viser layout av en undersjøisk kompresjonsstasjon som gjør bruk av foreliggende oppfinnelse, Figur 2 viser layout av en undersjøisk våtgasskompresjons-stasjon som gjør bruk av foreliggende oppfinnelse, og Figur 3 viser layout av en undersjøisk pumpe eller multifase pumpestasjon som gjør bruk av foreliggende oppfinnelse.

Detaljert beskrivelse av utførelser

Med henvisning til figur 1 omfatter en undersjøisk kompresjonsstasjon 1 en kompressor 2 installert i en fluidstrømningsbane som forbinder et stasjonsinnløps 3 med et stasjonsutløp 4. Innløpet 3 setter kompressoren 2 i fluidstrømkommunikasjon med en importledning 5 for en fluidstrøm produsert oppstrøms for kompresjonsstasjonen 1. Utløpet 4 setter kompressoren 2 i fluidstrømkommunikasjon med en eksportledning 6 for videre transport av fluidstrømmen nedstrøms for kompresjonsstasjonen 1. En gass/vasske-separator eller scrubber 7 som utfører separering av gass- og vasskefaser i fluidstrømmen som blir mottatt via stasjonsinnløp 3, kan være installert i strømnings-banen oppstrøms for kompressoren 2. En kjøler 8 kan være installert i strømningsbanen lengre oppstrøms for separator/- scrubber 7. I en separat gren av strømningsbanen gjennom kompresjonsstasjonen 1 er en pumpe 9 installert og tjener til å returnere separert væskefase fra separatoren/scrubberen til den produserte fluidstrømmen via utløpet 4. Kompresjonsstasjonen 1 kan være fullstendig isolert fra den produserte fluidstrømmen ved styring av en forbiføringsventil 10 som regulerer strømmen gjennom en forbiføringsledning 11 som forbinder importledningen 5 med eksportledningen 6 når ventilen 10 er i åpen stilling. Utløpssiden av kompressoren kan bli satt i fluidkommunikasjon med sugesiden oppstrøms for kompressoren når en anti-surge ventil 12, installert i en anti-surge sløyfe 13, er i åpen stilling. Tilsvarende kan væske bli resirkulert fra pumpe 9 til separatoren/scrubberen ved å styre en pumperesirkulerings-ventil 14 som er installert i en pumpe-resirkuleringssløyfe 15.

Strømmen av produksjonsfluid gjennom kompresjonsstasjonen 1 blir oppnådd via et første sett av ventiler eller innløps-ventiler 16, 17 innrettet i parallell i strømningsbanen oppstrøms for kompressoren 2 og et andre sett av ventiler eller utløpsventiler 18, 19 innrettet i parallell i strømningsbanen nedstrøms for kompressoren 2. Hvert sett av ventiler omfatter en hovedventil, henholdsvis 16 og 18, og en sekundær ventil, henholdsvis 17 og 19. Hovedventilen og sekundærventilen i hver sett av ventiler er individuelt innstillbar mellom åpen og stengt tilstand. Følgelig kan innsventilene 16 og 17 innstilles for individuelle eller kombinerte strømmer tilført til kompressoren 2, og utløpsventilene 18 og 19 kan tilsvarende innstilles for individuelle eller kombinerte strømmer ført til utløp inn i eksportledning 6.

For å illustrere oppfinnelsen er strømningsbanen mellom stasjonsinnløp 3 og stasjonsutløp 4 representert ved ventilene 16 og/eller 17, kompressoren 2, og ventilene 18 og/eller 19.

I hvert sett av innløpsventiler og utløpsventiler kan både hovedventiler og sekundærventiler være av/på-ventiler og kan stilles til helt stengt eller helt åpen tilstand. Spesielt er i det minste de sekundære ventilene 17 og 19 ventiler med fast diameter og en fast åpningsdiameter som fører til et merkbart trykkfall over ventilen. Trykkfallet over de sekundære ventilene 17 og 19 kan være i størrelsesorden 1-5 bar høyere enn eventuelt trykkfall dannet over hovedventilene 16, 18. Trykkfallet som dannes over hovedventilene 16 og 18 vil typisk være neglisjerbart fordi hovedventilene normalt er dimensjonert slik at de tillater full produksjonsstrøm gjennom hovedventilene når de sekundære ventilene er stengt.

På tilsvarende måte kan pumpen 9 være tilknyttet et sett av hovedventiler og sekundærventiler 20 og 21 innrettet i parallell i pumpeutløpsledningen mellom pumpeutløp og utløpet fra kompresjonsstasjonen 4.

På sugesiden og på trykksiden av pumpe eller kompressor kan hovedventil og sekundærventil i alle utførelser være utført som av/på-ventiler, som f.eks. sluseventil eller kuleventil.

Et annet undersjøisk fluidprosesseringssystem er illustrert på figur 2, som viser skjematisk en undersjøisk våtgass-kompresjonsstasjon 100. Våtgass-kompresjonsstasjonen 100 har flere komponenter felles med den foregående undersjøiske kompresjonsstasjonen 1, og for disse komponentene vil samme referansetall bli brukt i resten av beskrivelsen.

Følgelig omfatter våtgass-kompresjonsstasjon 100 en kompressor 2 installert i en fluidstrømningsbane som forbinder et stasjonsinnløp 3 med et stasjonsutløp 4. Innløpet 3 setter kompressoren 2 i fluidstrømkommunikasjon med en importledning 5 for en fluidstrøm som er produsert oppstrøms for gass-kompresjonsstasjon 100. Utløpet 4 setter kompressoren 2 i fluidstrømkommunikasjon med en eksportledning 6 for videre transport av fluidstrømmen nedstrøms for kompresjonsstasjonen 100. Installert i strømningsbanen oppstrøms for kompressor 2 er en strømningsmikser (flow conditioner) 22 som utfører homogenisering ved å blande gass og væskefaser i fluidstrømmen som mottas via stasjonsinnløpet 3. En kjøler 8 kan være installert i strømningsbanen lengre oppstrøms for strømningsmikseren 22.

Våtgasskompresjonsstasjonen 100 kan gjøres fullstendig avskåret fra den produserte fluidstrømmen ved hjelp av en forbiførings-ventil 10 som styrer strømmen gjennom en forbiføringsledning 11 som forbinder importledningen 5 med eksportledningen 6 når ventilen 10 er i åpen stilling. Utløpssiden av kompressoren kan være satt i fluidkommunikasjon med sugesiden oppstrøms for kompressoren når en anti-surge ventil 12 installert i en anti-surge sløyfe 13 er åpen stilling.

Strøm av produksjonsfluid gjennom våtgasskompresjonsstasjonen 100 blir oppnådd via et første sett av ventiler eller innløps-ventiler 16, 17 innrettet i parallell i strømningsbanen oppstrøms for kompressoren 2, og et andre sett av ventiler eller utløpsventiler 18, 19 innrettet i parallell i strømnings-banen nedstrøms for kompressoren 2. Hvert sett av ventiler omfatter en hovedventil, henholdsvis 16 og 18, og en sekundærventil, henholdsvis 17 og 19. Hovedventil og sekundærventil i hvert sett av ventiler kan stilles individuelt mellom åpen og stengt tilstand. Følgelig er innløpsventilene 16 og 17 innstillbare for individuell eller kombinert strømnings-tilførsel til kompressoren 2, og utløpsventilene 18 og 19 er likedan innstillbare for individuelt eller kombinert strømningsutløp fra kompressoren 2.

For det formål å illustrere oppfinnelsen er strømningsbanen mellom stasjonsinnløpet 3 og stasjonsutløpet 4 altså representert ved ventilene 16 og/eller 17, kompressoren 2 og ventilene 18 og/eller 19.

I hvert sett av innløpsventiler og utløpsventiler kan både hovedventil og sekundærventil være av/på-ventiler som kan veksle mellom helt stengt eller helt åpen tilstand. Spesielt er minst de sekundære ventilene 17 og 19 ventiler med fast diameter som har en fast åpningsdiameter som fører til et merkbart trykkfall over ventilen. Trykkfallet over de sekundære ventilene 17 og 19 kan være i størrelsesorden 1-5 bar høyere enn trykkfallet som så blir generert over hovedventilene 16, 18. Trykkfallet som dannes over hovedventilene 16 og 18 vil typisk være neglisjerbart fordi hovedventilene normalt er dimensjonert slik at de tillater full produksjonsstrøm gjennom hovedventilene når de sekundære ventilene er stengt.

I begge tilfeller fører den valgfrie ruten via de sekundære ventilene 17, 19 som har mindre åpningsdiameter til et trykkfall både på sugesiden og utløpssiden av kompressoren, og kompenserer på denne måten for trykkfluktuasjoner i den produserte fluidstrømmen som blir mottatt fra en brønn oppstrøms for våtgasskompresjonsstasjonen 100.

Enda et annet undersjøisk fluidprosesseringssystem er illustrert på figur 3, som skjematisk viser en undersjøisk pumpe-/multifasepumpestasjon 200. Pumpestasjonen 200 har flere komponenter felles med foregående undersjøiske kompresjonsstasjon 1 og våtgasskompresjonsstasjonen 100, og for disse komponentene vil samme referansetall bli brukt i resten av beskrivelsen.

Følgelig omfatter den undersjøiske pumpestasjonen 200 en pumpe 9 installert i en fluidstrømningsbane som forbinder et stasjonsinnløp 3 med et stasjonsutløp 4. Innløpet 3 setter pumpen 9 i fluidstrømkommunikasjon med en importledning 5 for en fluidstrøm som er produsert oppstrøms for pumpestasjonen 200. Utløpene 4 setter pumpe 9 i fluidstrømkommunikasjon med en eksportledning 6 for videre transport av fluidstrømmen ned-strøms for pumpestasjon 200. Installert i strømningsbanen oppstrøms for pumpe 9 er en blande- eller resirkuleringstank 23 som sørger for homogenisering av fluidstrømmen som mottas via stasjonsinnløpet 3. En kjøler 8 kan være installert i strømningsbanen lengre oppstrøms for blande/resirkulerings-tanken 23.

Pumpestasjonen 200 kan være helt isolert fra den produserte fluidstrømmen ved hjelp av en forbiføringsventil 10 som styrer strømmen gjennom en forbiføringsledning 11 som forbinder importledningen 5 med eksportledningen 6 når ventilen 10 er åpen. Væske kan bli resirkulert fra pumpen 9 til blande-/resirkuleringstanken 23 ved bruk av en pumperesirkulerings-ventil 14 installert i en pumperesirkuleringssløyfe 15.

Strøm av produksjonsfluid gjennom pumpestasjonen 200 blir utført via et første sett av ventiler eller innløpsventiler 16, 17 innrettet i parallell i strømningsbanen oppstrøms for pumpe 9, og et andre sett av ventiler eller utløpsventiler 20, 21 innrettet i parallell i strømningsbanen nedstrøms for pumpe 9. Hvert sett av ventiler omfatter en hovedventil, henholdsvis 16 og 20, og en sekundærventil, henholdsvis 17 og 21. Hovedventilen og sekundærventilen i hvert sett av ventiler er individuelt innstillbar mellom åpen og stengt tilstand. Følgelig er innløpsventilene 16 og 17 innstillbare for individuell eller kombinert strømningstilførsel til pumpe 9, og utløpsventilene 20 og 21 er likedan innstillbare for individuell eller kombinert strøm fra pumpeutløpet.

For det formål å illustrere oppfinnelsen er strømningsbanen mellom stasjonsinnløpet 3 og stasjonsutløpet 4 altså representert ved ventilene 16 og/eller 17, pumpen 9 og ventilene 20 og/eller 21.

I hvert sett av innløps- og utløpsventiler kan både hovedventil og sekundærventil være av/på-ventiler og innstillbare mellom helt stengt og helt åpen tilstand. Spesielt er minst de sekundære ventilene 17 og 21 ventiler med fast diameter som har en fast åpningsdiameter som gir et merkbart trykkfall over ventilen. Trykkfallet over de sekundære ventilene 17 og 21 kan være i størrelsesorden 1-5 bar høyere enn trykkfallet som kan bli generert over hovedventilene 16, 20. Typisk vil det genererte trykkfallet over hovedventilene 16 og 20 være ubetydelig, fordi hovedventilene er normalt dimensjonert til å tillate full produksjonsstrøm gjennom hovedventilene når de sekundære ventilene er stengt.

I begge fall fører den valgfrie ruten, via de sekundære ventilene 17, 21 med mindre hulldiameter, til et trykkfall både på sugesiden og utløpssiden av pumpen, og kompenserer på denne måten for fluktueringer i trykket i den produserte fluid-strømmen mottatt fra en brønn oppstrøms for pumpestasjonen 200.

Ved bruk av en liten, valgfritt innkoblet ventil med fast åpningsstørrelse innrettet i parallell med den normalt dimen-sjonerte fullproduksjonsventilen som beskrevet, kan en oppnå et forhøyet trykkfall i forhold til normal produksjon med samme strøm. På denne måten kan arbeidspunktet opprettholdes innenfor ønskede driftsbetingelser også under dynamiske trykktilstander, slik at en unngår skade på det undersjøiske roterende utstyret, og det til en pris langt lavere enn kostnaden for regulerings-ventiler som er egnet for undersjøisk bruk.

Claims (5)

1. Undersjøisk fluidprosesseringssystem (1; 100; 200) som omfatter: et systeminnløp (3) som kan kobles til en importledning (5) for en fluidstrøm som er produsert oppstrøms for systemet, et systemutløp (4) som kan kobles til en eksportledning (6) for videre transport av fluidstrømmen nedstrøms for systemet, en forbikoblingsledning (11) regulerbar for å tilkoble og frakoble systemet fra fluidstrømmen, en strømningsbane som forbinder systeminnløpet med systemutløpet, en pumpe (9) og/eller kompressor (2) i strømningsbanen, der pumpe eller kompressor er innrettet til å motta fluid via systeminnløpet og kan sørge for utløp av fluid via systemutløpet, karakterisert vedat systemet omfatter et sett ventiler på tilførselssiden og/eller på utløpssiden av pumpen eller kompressoren, der ventilene tjener til å sette pumpe eller kompressor i kommunikasjon med fluidstrømmen, idet hvert sett av ventiler omfatter en hovedventil (16; 18; 20) og en sekundær ventil (17; 19; 21) innrettet i parallell i strømningsbanen, og hovedventilen er dimensjonert for en normal prosesstrøm og den sekundære ventilen er dimensjonert for en partiell prosesstrøm, idet hovedventil og sekundærventil er individuelt innstillbare for individuell eller kombinert strøm gjennom ventilene.

2. Systemet i henhold til krav 1,karakterisert vedat hovedventilen (16; 18; 20) har en åpnning med en første diameter og den sekundære ventilen (17; 19; 21) har en åpning av en andre fastlagt diameter som er mindre enn den første diameteren.

3. Systemet i henhold til krav 2,karakterisert vedat den andre åpningsdiameteren er dimensjonert til å generere et trykkfall over den sekundære ventilen i størrelsesorden 1-5 bar høyere enn trykkfallet som blir generert av den første åpningsdiameteren i hovedventilen.

4. Systemet i henhold til hvilket som helst foregående krav, som videre omfatter: en fluid/gass-separator (7) innrettet i strømningsbanen på tilførselssiden av kompressoren (2), en fluidledning som forbinder separatoren med systemutløpet, en pumpe (9) i fluidledningen som tjener til utløp av fluid fra separatoren, karakterisert vedat et sett ventiler (21, 20) er innrettet i fluidledningen på utløpssiden av pumpen, der settet av ventiler omfatter en hovedventil (20) og en sekundær ventil (21) innrettet i parallell i fluidledningen, der hovedventilen er dimensjonert for en normal strøm og den sekundære ventilen er dimensjonert for en partiell strøm, idet hovedventil og sekundærventil er individuelt innstillbare for individuell eller kombinert strøm gjennom ventilene.

5. Fremgangsmåte med sekvensiell drift av et undersjøisk fluidprosesseringssystem under oppstart eller nedstenging,karakterisert vedat en pumpe og/eller kompressor er innrettet i en strømningsbane som forbinder et systeminnløp med et systemutløp i det undersjøiske fluidprosesseringssystemet, som omfatter: innretning av en hovedventil dimensjonert for en normal prosesstrøm, og en sekundær ventil dimensjonert for en partiell prosesstrøm, i parallell i strømningsbanen på tilførselssiden og/eller utløpssiden av henholdsvis pumpe eller kompressor, åpning av den sekundære ventilen før åpning av hovedventilen i oppstartfasen, og åpning av den sekundære ventilen før stenging av hovedventilen under nedstengingsfasen.