NO20141340A1

NO20141340A1 - Fremgangsmåte og system for regulering av trykk i brønnfluid fra en hydrokarbonbrønn

Info

Publication number: NO20141340A1
Application number: NO20141340A
Authority: NO
Inventors: Giacomo Landi; Ashish Jain; Marius Rosvold
Original assignee: Vetco Gray Scandinavia As
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-05-11
Also published as: BR112017008465B1; US10648301B2; US20180298737A1; NO339866B1; AU2015345332B2; GB2546932A; AU2015345332A1; GB201707198D0; WO2016074956A1; BR112017008465A2; GB2546932B

Abstract

Det er beskrevet en fremgangsmåte og et system som er innrettet for trykkregulering av brønnfluid produsert fra en hydrokarbonbrønn (W1-W5) i et hydrokarbonproduksjonsfelt. Systemet omfatter en pumpe (6, 206) innrettet på et brønnhode (5, 201) i fluidkommunikasjon med en passasje (207) for prosessfluid fra brønnen, idet pumpen er innrettet for mottak av brønnfluid produsert fra brønnen og for å levere fluidet til nedstrøms røropplegg eller utstyr. Pumpen omfatter en motor-/generatorenhet som kan opereres som en generator i kraftgenereringsmodus når pumpen blir drevet av brønnfluid, og i kraftforbruksmodus når motor-/generatorenheten blir operert som en motor.

Description

Fremgangsmåte og system for regulering av trykk i brønnfluid fra en hydrokarbonbrønn

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et system innrettet til å regulere trykket i brønnfluid fra en brønn for hydrokarbonproduksjon. Spesielt vedrører oppfinnelsen et system som søker å redusere kraftforbruket og å gjenvinne energien i roterende utstyr som brukes til å regulere trykket i brønnfluid under produksjon og transport av hydrokarbonfluid fra hydrokarbonbrønner til mottaker på overflaten.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk Hydrokarbonbrønner i et hydrokarbonproduksjonsfelt vil typisk produsere under ulike trykk- og strømningsrate til enhver tid. Den enkelte olje- eller gassbrønn vil også vanligvis levere med strømningsrate og trykk som blir lavere med tiden. Endringer i brønnfluidtrykk og regulering av strømningsrate og trykk i produsert brønnfluid blir normalt behandlet ved å strupe eller øke strømmen, dvs. dersom brønnfluidtrykket er høyere enn ønskelig i utstyr nedstrøms, blir strømmen begrenset ved hjelp av en strupeventil innrettet på brønnhodet, og hvis brønnfluidtrykket er lavere enn det som kreves for transport eller behandling nedstrøms, kan strømmen økes ved hjelp av en trykkøkingspumpe eller kompressor innrettet nedstrøms for strupeventilen. Øking og struping er prosesser som enten forbruker energi eller som reduserer mulig produksjonsrate fra brønner i et undersjøisk

hydrokarbonproduksj onsfelt.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Det er et mål med foreliggende oppfinnelse å sørge for trykkregulering av brønnfluid produsert fra en brønn i et hydrokarbonproduksj onsfelt.

Det er et annet mål med foreliggende oppfinnelse å sørge for en energisparende fremgangsmåte og system som er innrettet for trykkregulering av en brønnfluid fra et

hydrokarbonproduksj onsfelt.

Det er enda et mål med foreliggende oppfinnelse å sørge for en fremgangsmåte og et system som er innrettet for trykkregulering og for optimalisering av produksjon fra brønner i et hydrokarbonproduksjonsfelt.

Det er et ytterligere mål med foreliggende oppfinnelse å sørge for en fremgangsmåte og et system som er innrettet for trykkregulering og for å balansere utløpstrykket mellom brønnene i et hydrokarbonproduksjonsfelt.

Minst ett av målene som er nevnt ovenfor blir oppnådd i et system innrettet for trykkregulering av brønnfluid produsert fra en brønn i et hydrokarbonproduksjonsfelt, der systemet omfatter følgende: - en pumpe innrettet på et brønnhode i fluidkommunikasjon med en passasje for prosessfluid fra brønnen, der pumpen er innrettet for å motta brønnfluid produsert fra brønnen og for å levere fluidet til røropplegg eller utstyr nedstrøms, - pumpen omfatter en motor/generatorenhet som kan operere som en generator når pumpen blir drevet av brønnfluid i kraftgenereringsmodus, og der pumpen blir operert i kraftforbruksmodus ved drift av motor-/generatorenheten som en motor.

I utførelser av oppfinnelsen er pumpen elektrisk koblet til en kraftdistribusjonsenhet som er konfigurert til å distribuere gjenvunnet energi til andre kraftforbrukere i systemet.

Pumpen kan utføres som en helico-aksialpumpe tilpasset for trykkøking i flerfasefluid.

Pumpen blir konfigurert med en motor- og generatorenhet som har en motor som er integrert i en kraft- og strømningsmodul. Kraft- og strømningsmodulen er en elektrisk drevet strømningsmaskin der permanentmagneter er montert i periferien av en rotor, mens elektromagneter og statorviklinger er montert på en innkapsling som omgir rotoren.

Rotoren i kraft- og strømningsmodulen omfatter rotorskovler som har en stigningsvinkel (pitch angle) i forhold til strømningsretningen som tjener til å danne en i hovedsak aksiell strømning gjennom kraft- og strømningsmodulen.

Pumpen i trykkreguleringssystemet kan omfatte et sett med integrerte kraft- og strømningsmoduler innrettet i rekkefølge, idet hver kraft- og strømningsmodul kan styres individuelt via en dedikert frekvensomformer (variable speed drive - VSD)

Settet av kraft- og strømningsmoduler i en pumpe kan omfatte kontraroterende rotorer, slik at hver rotor som roterer medurs følger etter en rotor som roterer moturs.

I et sett med kraft- og strømningsmoduler kan hver modul være innrettet til å følge direkte etter en foregående modul uten at det er statorskovler mellom rotorskovlene i suksessive kraft- og strømningsmoduler.

Når motor/generatorenheten blir operert som en motor, blir rotoren satt i rotasjon ved at permanentmagnetene beveger seg i det magnetiske feltet som blir generert når det sendes strøm gjennom statorviklingene for å energisere elektromagnetene. I motormodus vil pumpen overføre energi til fluidet via rotorskovlene, slik at trykket øker i brønnfluidet.

Når motor/generator-enheten opereres som en generator, blir rotoren satt i rotasjon av brønnfluidet, og rotormagnetene induserer strøm i statorviklingene. I generatormodus vil kort sagt pumpen absorbere energi fra fluidet via rotorskovlene og redusere trykket i brønnfluidet.

Rotorskovlene kan være konstruert på visse måter, slik som kurvede forover eller bakover i forhold til rotorens rotasjonsretning, for overføring av energi til brønnfluidet eller for å absorbere energi fra brønnfluidet.

I en pumpe som omfatter et sett med kraft- og

strømningsmoduler som kan stables, kan modulene være spesifisert vekselvis for motordriftsmodus, henholdsvis for generatordriftsmodus. Pumpen kan med andre ord være utstyrt med kraft- og strømningsmoduler som er spesifisert vekselvis for overføring av energi til brønnfluid eller for å absorbere energi fra brønnfluid ved en tilsvarende utforming av rotorskovlene.

Trykkreguleringssystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter videre en sentral kraftdistribusjonsenhet (SPDU) som får tilført elektrisk kraft og styring fra en overflateplattform til havs eller på land. SPDU-en leverer kraft til pumpene i systemet etter behov, og brønnfluid-trykkene blir overvåket og rapportert til SPDU-en fra trykksensorer innrettet på hver brønn. SPDU-en inneholder styrelogikk som er konstruert for å bestemme hvorvidt vedkommende pumpe skal operere som trykkforsterker eller som trykkreduksjonenhet, dvs. i kraftforbruksmodus, henholdsvis i kraftgenereringsmodus.

SPDU-en er videre utstyrt for å motta elektrisk kraft fra en pumpe som opererer i generatormodus. Elektrisk kraft som blir mottatt i SPDU-en kan fordeles mellom pumper i trykkreguleringssystemet, eller bli levert til annet utstyr i feltet, eller kan leveres til overflateplattform. På denne måten kan energien som er forbundet med brønnfluidtrykkene bli balansert mellom brønnene som er knyttet til trykkreguleringssystemet, samtidig som energiforbruket til trykkreguleringen kan reduseres.

I utførelser av oppfinnelsen blir de aktuelle

brønnfluidtrykkene overvåket og rapportert til SPDU-en fra trykksensorer som er innrettet på brønnhoder.

Trykkreguleringssystemet i foreliggende oppfinnelse sørger for pumper som er innrettet på brønnhoder og tjener til å utjevne trykkene i brønnfluid utvunnet fra hydrokarbonbrønner som produserer ved ulike brønnfluidtrykk.

I én utførelse, omfatter trykkreguleringssystemet en pumpe som er montert på en trykkreguleringsmodul som kan kobles til et brønnhode eller ventiltre (Christmas tree/surface tree) og som lar seg hente separat tilbake derfra.

Pumpen kan installeres i en strømningskrets som omfatter et innløpsrør, et utløpsrør og et forbikoblingsrør. Strømningskretsen kan tilkobles til brønnhode eller ventiltre via klemforbindelse.

Utførelser av trykkreguleringssystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse går ut fra at en tilbakeslagsventil ikke er inkludert i strømningskretsen.

Andre utførelser av foreliggende trykkreguleringssystem går ut fra at en strømningsmåler ikke er inkludert i

strømningskretsen.

Nærmere bestemt er et aspekt av foreliggende oppfinnelse rettet mot utførelser, der trykksensorer (PT) og temperatursensorer (TT) er installert på en

trykkreguleringsmodul for å innsamle pumpe- og fluiddata som kreves for å drive pumpen som en virtuell strømningsmåler.

Dette aspekt ved oppfinnelsen lar seg realisere ved en fremgangsmåte for regulering av brønnfluidtrykk i brønnfluid som blir produsert fra en brønn i et undersjøisk hydrokarbonproduksjonsfelt, idet fremgangsmåten omfatter følgende: • innretning av en pumpe på et brønnhode i fluidkommunikasjon med en brønnfluidpassasje fra brønnen, der pumpen omfatter en motor/generatorenhet, • øking av trykket i brønnfluidet ved å operere pumpen som motor i kraftforbruksmodus, og redusering av trykket i brønnfluidet ved å operere pumpen som generator i kraftgenereringsmodus, der pumpedata og fluiddata brukes ved beregning av strømmen gjennom pumpen.

Beregning av strømning kan være basert på tilgjengelig pumpe-og fluiddata som omfatter noen av eller alle følgende data, registrert under trykkregulering:

• fluidtrykk ved innløp og/eller utløp av pumpen

• fluidtemperatur ved innløp og/eller utløp av pumpen

• VSD-frekvens

• VSD-spenning

• VSD-strøm

• VSD-effektfaktor

• motorhastighet (omdr/min, beregnet fra VSD-data)

• motorens effektforbruk (beregnet fra VSD-data).

Drift av pumpen som en virtuell strømningsmåler i henhold til utførelser av foreliggende oppfinnelse omfatter utførelse av i) pumpekurver: en funksjon av strømningsrate og pumpevirkningsgrad basert på trykkdifferanse, motorhastighet omdr/min (RPM), GVF (gassvolumandel) og viskositet, og ii) karakterisering av fluidet, slik som tabeller eksportert fra simulatorer.

Detaljer om de ulike aspektene ved oppfinnelsen vil bli nærmere gjennomgått nedenfor i den detaljerte beskrivelsen av foretrukne utførelser.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

Utførelser av oppfinnelsen vil bli nærmere forklart nedenfor med henvisning til de vedlagte tegningsfigurene. Tegningsfiguren viser som følger: Figur 1 viser en generell utforming av et undersjøisk hydrokarbonproduksj onsfelt, Figur 2 er et lengdesnitt gjennom kraft- og strømningsmoduler som er tilpasset for innlemmelse i pumpe for

trykkreguleringssystemet i foreliggende oppfinnelse,

Figur 3 er et tilsvarende snitt som illustrerer en pumpe som inkluderer et sett av kraft- og strømningsmoduler, Figur 4 viser en utførelse av foreliggende oppfinnelse i form av en trykkreguleringsmodul som kan installeres på et brønnhode, Figur 5 illustrerer skjematisk signalbanene mellom en trykkreguleringsmodul, en frekvensomformer og en undersjøisk kraftdistribusjonsenhet i et trykkreguleringssystem i henhold til en utførelse av foreliggende oppfinnelse, og Figur 6 er et flytskjema som viser trinnene i en fremgangsmåte for drift av en pumpe som en virtuell strømningsmåler.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser

Selv om forklaringer og illustrasjoner nedenfor gjelder med henvisning til en undersjøisk implementering, presiseres det at beskrivelsene her likedan kan gjelde i prosesser for hydrokarbonproduksjon fra landbaserte hydrokarbonbrønner.

Generell utforming av et system for regulering av trykk i brønnfluid utvunnet fra brønner på havbunnen i et undersjøisk hydrokarbonproduksjonsfelt vil nå bli forklart med henvisning til figur 1. Et antall brønner W1-W5, fordelt over havbunnen 1, er sammenkoblet for å levere brønnfluid til en plattform 2 på overflaten eller et fartøy til sjøs eller til land via rørledninger P1-P5, en manifold 3 og et stigerør 4. Et brønnhode 5 på toppen av hver brønn W1-W5 er innrettet til å huse ventiler, forbindelser og sensorer som kreves for å produsere fluid fra brønnen.

I samsvar med utførelsen av oppfinnelsen som er vist på figur 1, er en pumpe og generator 6 installert i strømmen nedstrøms for en strupe- eller produksjonsventil 7. Pumpe/generator kan imidlertid alternativt være installert oppstrøms for strupe-/produksjonsventilen 7.

Pumpen 6 er en elektrisk drevet strømningsmaskin, der permanentmagneter er montert langs periferien av en rotor, mens elektromagneter og statorviklinger er montert på en kapsling som omgir rotoren, slik det blir nærmere forklart nedenfor.

Elektrisk kraft blir levert til pumpen 6 fra en undersjøisk kraftdistribusjonsenhet (SPDU) 8 via en frekvensomformer (VSD) 9. Kraft og kommunikasjon blir overført mellom SPDU 8 og plattformen 2 via en kraft- och styrekabel 10.

Elektrisk utstyr som vanligvis brukes til drift av undersjøiske enheter i et hydrokarbonproduksjonsfelt, slik som transformatorer, likerettere, omformere osv., som ikke trenger forklaring for å forstå foreliggende oppfinnelse, er utelatt fra figur 1 for klarhets skyld.

SPDU-en 8 omfatter styrelogikk som er konstruert for å prosessere informasjon om gjeldende trykk i brønnfluid levert fra havbunnsbrønner W1-W5. Brønnfluidtrykk blir overvåket og rapportert til SPDU 8 fra trykksensor (PT) 11 plassert oppstrøms for produksjonsventilene 7. SPDU 8 bruker brønnfluidtrykket for hver brønn til å bestemme hvorvidt pumpen 6 skal operere for å øke trykket, dvs. som motor i kraftforbruksmodus, eller for å redusere trykket, dvs. som generator i kraftgenereringsmodus.

Eksempel:

Dersom brønn Wl produserer med et trykk på 250 bar, kan pumpe 6 bli operert i generatormodus for å redusere trykket i fluid levert fra pumpen ned til 150 bar f.eks. Merk at trykkdifferansen representerer energi som normalt ville gå til spille dersom trykket blir redusert ved å strupe strømmen.

Dersom brønn W2 samtidig produserer med et trykk på 100 bar, blir pumpe 6 operert i motormodus for å øke trykket i fluid levert fra pumpen til 150 bar.

Energien som blir gjenvunnet ved å redusere trykket med

100 bar i brønnfluidet fra brønn Wl i dette eksempelet, kan være i størrelsesorden 500 kW, mens energien som kreves for å øke trykket med 100 bar i brønnfluid gjenvunnet fra brønn W2 kan være i samme størrelsesorden på 500 kW. Som illustrert her kan altså en utjevning av trykket mellom de to brønnene oppnås med en betraktelig sparing av energi.

Energien som blir gjenvunnet fra pumpe 6, som opererer i generatormodus, blir overført til SPDU 8 via elektriske kraftledninger 12. Styrelogikken som er installert i SPDU 8 bestemmer hvorvidt den gjenvunne energien skal sendes til andre pumper i trykkreguleringssystemet, til andre undersjøiske kraftforbrukere eller til overflateplattformen eller til land.

Strukturen til pumpe- og generatorenheten 6 vil nå bli nærmere forklart med henvisning til figur 2.

Nærmere bestemt er pumpe- og generatorenheten 6 en elektrisk drevet maskin som kan ha ulike utførelser. Felles for alle utførelser er en integrert permanentmagnetmotor (PM), der permanentmagneter er montert i omkretsen av en motorrotor og skovlhjul, mens elektromagneter og statorviklinger er montert på en stasjonær kapsling som omgir rotor/skovlhjul. Utførelser av pumpen 6 omfatter en kraft- og strømningsmodul, der rotoren er utformet med radielle blader eller rotorskovler som sitter på en sentral rotoraksel som er opplagret for rotasjon. Andre utførelser omfatter en rotor med skovler som er opplagret for rotasjon på utsiden av en stasjonær aksel.

Med henvisning til figur 2 er et sett av kraft- og strømningsmoduler 100 vist i lengdesnitt. Hver kraft- og strømningsmodul 100 omfatter en rotor 101 som er opplagret for rotasjon på en rotoraksel 102. Rotoren 101 kan være opplagret i radial-/aksial-lagre 103 på utsiden av en stasjonær rotoraksel for rotasjon omkring denne, adskilt fra de andre rotorene i et sett med kraft- og strømningsmoduler. Disse lagrene 103 kan være av en type som får smøring fra prosessfluidet.

Rotorene kan alternativt være ikke-roterende festet til en felles rotoraksel som er opplagret til å rotere i lagre innrettet i et lagerhus (ikke vist).

Hver rotor 101 omfatter et sett rotorskovler 104 som strekker seg stort sett i radiell retning fra en rotorsenterakse C. Minst noen av rotorskovlene 104 har en permanentmagnet 105 i den ytre perifere enden av rotorskovlen. Permanentmagnetene 105 kan være integrert i et ringelement 10 6 som er sammenkoblet til rotorskovlene i rotorens omkrets 107.

Rotoren 101 er omgitt av en kapsling 108 som har midler for kobling, slik som flenser 109, for kobling til nærliggende kraft- og strømningsmoduler 100. Tetninger, ikke vist på tegningsfigurene, er innrettet etter behov i de møtende grensesnittene mellom kapslinger med koblede kraft- og strømningsmoduler. Montert i kapsling 108 er et sett av elektromagneter med tilknyttede statorviklinger, i tegningene markert med samme referansenummer 110. Elektromagnetene 110 danner en ytre ring omkring den indre ringen av permanentmagneter, og kapslingen 108 kan ha form av en sylinder.

Rotoren 101 blir således satt i rotasjon ved at permanentmagnetene beveger seg i magnetfeltet som blir generert når det føres strøm til statorviklingene for å energisere elektromagnetene.

For å optimalisere driften kan hver enkelt kraft- og strømningsmodul 100 i et sett med kraft- og strømningsmoduler være individuelt drevet og styrt hver for seg via dedikerte frekvensomformere, slik som det er illustrert ved VSD-boksene på figur 3.

Dersom det passer, kan settet med individuelt styrte kraft- og strømningsmoduler være innrettet til å omfatte kontraroterende rotorer, slik at hver rotor som roterer medurs følger etter en rotor som roterer moturs slik det er illustrert med piler R

som angir rotasjonsretningene på figur 3.

Kraft- og strømningsmodulene 100 kan være innrettet til å følge rett etter en foregående modul, uten mellomliggende statorskovler mellom rotorskovlene på suksessive moduler 100.

Under rotering genererer kraft- og strømningsmodulen 100 en aksiell strøm i den ringformede strømningspassasjen som blir dannet ved at motorrotoren virker som skovlhjul. Rotorskovlene 104 er utformet med en angrepsvinkel eller stigningsvinkel a (angle of attack) mot strømmen F (se figur 3), og dermed i forhold til senteraksen C. I et sett med kraft- og strømningsmoduler kan minst én av rotorene ha skovler med annen stigningsvinkel enn de øvrige rotorene i settet. Stigningsvinkelen kan endres suksessivt fra første til siste rotor i settet.

Rotorskovlene 104 kan være utformet med en aero-foil for å øke ytelsen i henholdsvis motor- og kraftgenereringsmodus. For å illustrere dette kan rotorskovlene ha konveks-konkav tverrsnittprofil og være montert med den konkave siden vendt mot rotasjonsretningen, som illustrert i kraft- og strømningsmodulen 100' . En konveks-konkav rotorskovel kan alternativt være montert med den konvekse siden vendt mot rotasjonsretningen, som illustrert i kraft- og strømnings-modulen 100''. Slik kan motorrotor eller skovelhjul 101 være konstruert til å yte optimalt enten i trykkøkingsmodus, der energi blir overført til fluidet via rotorskovlene, eller i retardasjonsmodus, der energi blir absorbert fra fluidet via rotorskovlene.

I praksis kan pumpen måtte utformes som et kompromiss og til slutt miste noe av sin ytelse i den ene av sine to driftsmodi. På grunn av pumpens aksielle kompakthet som følge av en stablebar konstruksjon uten stasjonære føringer innsatt mellom de dynamiske trinnene i pumpen, kan den totale lengde fortsatt ligge innenfor grensene, selv om ekstra motortrinn blir lagt til for kompensering.

I retardasjonsmodus opererer kraft- og strømningsmodulen 100 som en dynamo som induserer strøm i statorviklingene fra det roterende magnetfeltet som blir dannet av permanentmagnetene i rotasjon, drevet av bevegelesenergien i brønnfluidet som passerer gjennom rotoren.

Et trykkreguleringssystem er således beskrevet, der pumper som omfatter motor/generator-enheten kan være innrettet på brønnhoder og operert for utjevning av trykk i brønnfluid produsert fra brønner på havbunnen eller produsert fra landbaserte hydrokarbonbrønner som produserer ved ulike brønnfluidtrykk. I denne sammenheng kan pumpene være inkorporert i installasjonsmoduler som lar seg koble til brønnhoder og kan trekkes individuelt, som nærmere forklart nedenfor.

Med henvisning til figur 4 er det vist en

trykkreguleringsmodul 200 i montert posisjon på en base 201. Basen 201 kan være en strukturdel i et brønnhode 5 eller en struktur tilknyttet et brønnhode, et ventiltre plassert på havbunnen eller et tre plassert på overflaten. Basen 201 omfatter passasjene for prosessfluid og injeksjonsvann, kraft,

hydraulikk- og signaledninger osv., som er påkrevd for å produsere brønnfluid fra en hydrokarbonbrønn. Disse komponentene som vanligvis finnes i brønnhoder og ventiltrær (Christmas trees) og såldes er velkjente for en fagperson, er imidlertid ikke avgjørende for å forstå foreliggende oppfinnelse, og de er derfor ikke nærmere omtalt her.

Trykkreguleringsmodul 200 er en separat trekkbar enhet som passer med basen 201 ved å bli innsatt på styrestolper 202 som rager over basen, og som blir mottatt i styrerør 203 som er inkludert i trykkreguleringsmodulen 200. Installasjoner i trykkreguleringsmodulen 200 blir støttet av et rammeverk 204 som er forsynt med løfteøyer 205 for løfting og senking av trykkreguleringsmodulen 200 ned på basen 201.

Installert i trykkreguleringsmodulen 200 er en pumpe 206 som omfatter kraft- og strømningsmodulen 100, 100' eller 100'' i hovedsak slik det er beskrevet ovenfor. Pumpen 206 er inkludert i en strømningskrets som kommuniserer med strømmen av prosessfluid og som er forbundet med en passasje i brønnhodet for brønnfluid produsert fra brønnen. På figur 4 er fluidpassasjen angitt med de stiplede strekene 207. En tett forbindelse mellom strømningskretsen og prosessfluidpassasjen er oppnådd ved hjelp av en klemforbindelse 208.

Strømningskretsen i trykkreguleringsmodulen 200 omfatter et innløpsrør 209 som mater prosessfluidet til et pumpeinnløp 210 via en isolasjonsventil 211 i åpen posisjon. I stengt posisjon vil isolasjonsventil 211 dirigere prosessfluidet i en forbiløpsstrøm via røret 212 og en forbiløpsventil 213 i åpen posisjon. I normal drift, dvs. når prosessfluidet passerer pumpen 206, er forbiløpsventilen 213 stengt.

I pumpen 206 passerer prosessfluidet trinnene med kraft- og strømningsmoduler og går til et pumpeutløp 214. Et utløpsrør 215 leverer prosessfluidet til rørledning 216 via en tilbakeslagsventil 217 slik at revers strømning unngås. Basert på kraft- og strømningsmodulen 100 kan pumpen 206 opereres for å øke eller redusere trykket i prosessfluidet ved å stille pumpen til kraftgenereringsmodus eller kraftforbruksmodus. I så måte kan pumpen 206 erstatte strupeventilen som tradisjonelt brukes for å begrense strøm og redusere trykk i brønnfluid.

Pumpeparametre slik som variasjoner i strømning og trykk, deltatrykk, pumpespesifikasjoner og effektivitet versus kraftforbruk etc. henger imidlertid sammen og indikerer strømningsbetingelser. Pumpedata slik som rotasjonshastighet, kraftforbruk versus pumpekart, trykk- og temperaturverdier osv., kan hentes ut og brukes til å finne gassvolumfraksjon og massestrømning i en trykkreguleringsmetode som unngår bruk av den tradisjonelle strømningsmåleren. Figur 5 illustrerer skjematisk signalbanene mellom trykkreguleringsmodulen 200, VSD 9 og SPDU 8 i et trykkreguleringssystem i henhold til foreliggende oppfinnelse. På figur 5 står symbolet P for effektfaktor og T for dreiemoment som oppstår i pumpen, PT representerer trykksensor eller -sensorer, TT representerer temperatursensorer, og RPM er motor- eller pumpehastighet i omdreininger per minutt.

Blant målte data som er tilgjengelig for å støtte driften av pumpen 206 som en virtuell strømningsmåler er følgende:

• Fluidtrykk ved innløp til og/eller utløp av pumpen

• Fluidtemperatur ved innløp til og/eller utløp av pumpen

• VSD-frekvens

• VSD-spenning

• VSD-strøm

• VSD-effektfaktor

• Motorhastighet (omdr./min., beregnet fra VSD-data)

• Motorens effektforbruk (beregnet fra VSD-data)

I tillegg er følgende informasjon tilgjengelig:

• pumpekurver: en funksjon av strømningsrate og pumpeeffektivitet basert på trykkdifferanse, motorhastighet (omdr/min), GVF (gassvolumfraksjon) og viskositet, • fluidkarakteristikk: slik som tabeller eksportert for eksempel fra simulatorer.

Tilgjengelige data og målinger kan brukes i en fremgangsmåte 300 for å operere pumpen (dvs. pumpen basert på kraft- og strømningsmodulen 100) som omfatter følgende trinn, illustrert på figur 6: I trinn 301: Les av inneffekt til pumpen og pumpens turtall basert på VSD-data.

I trinn 302: Les av gjeldende målt pumpetemperatur og trykkverdier (oppstrøms og nedstrøms) og etablere samlet pumpe-DP (delta-trykk) og DT (delta-temperatur).

I trinn 303: Predikter pumpens samlede strøm (Qtotai) basert på motorens turtall og pumpekurver.

I trinn 304: Etablere en kvalifisert verdi for fasesammensetningen i fluidet, basert på pumpens samlede strøm (Qtotai) i inneffekt og utløpstemperatur (et første estimat kan være gitt av operatør).

I trinn 305: Predikter pumpens samlede strøm (Qtotai) basert på motorens turtall, GVF, DP og pumpekurver.

I trinn 306: Beregn pumpeeffekt P og utløpstemperatur (ved bruk av de n motorsegmentene), basert på en gitt fasesammensetning.

I trinn 307: Sammenlign modell-estimerte utverdier for temperatur og effekt for å trykksette fluidet med aktuell målt temperatur og beregnet VSD-virke ved hjelp av en minimaliseringsfunksj on.

I trinn 308: Beregn førsteordens gradient av minimaliseringsfunksjonen (basert på de individuelle fasesammensetningene).

I trinn 309: Beregn annenordens gradient av

minimaliseringsfunksjonen (basert på de individuelle fasesammensetningene).

I trinn 310: Oppdater estimatene for fasesammensetning basert på gradientene (første og annen orden) av minimaliseringsfunksj onen.

I trinn 311: Kjør sløyfe fra trinn 305 til 311 inntil verdien har stabilisert seg på et minimum.

Beregning av pumpeeffekt P i trinn 306 kan utføres ved å løse ligningen:

der Wi er spesifikk virkningsgrad i hvert pumpesegment og mT er den totale massestrømningsraten.

Trykkreguleringssystemet som er beskrevet vil således tillate implementering av en fremgangsmåte for trykkregulering som omfatter følgende: • innretning av en pumpe på et brønnhode i fluidkommunikasjon med en brønnfluidpassasje fra brønnen, der pumpen omfatter en motor-/generatorenhet,

• øking av trykket i brønnfluidet ved å operere pumpen som en motor i kraftforbruksmodus, og reduksjon av trykket i brønnfluidet ved å operere pumpen som en generator i

kraftgenereringsmodus,

idet pumpedata og fluiddata blir brukt ved beregning av den virkelige strømmen gjennom pumpen.

Det er ovenfor forklart og illustrert med tegningsfigurer av eksempler på utførelser, at et betydelig integrert, kompakt og kraftsparende system for trykkregulering av brønnfluid som blir utvunnet fra en hydrokarbonbrønn kan realiseres ved utførelse av det som her er beskrevet.

Det er likevel åpenbart at modifikasjoner av de beskrevne utførelsene er mulige uten å gå bort fra omfanget av og ånden i oppfinnelsen slik den er beskrevet ovenfor og definert i de vedlagte patentkravene.

Claims

1. System innrettet for trykkregulering av brønnfluid utvunnet fra en hydrokarbonbrønn (W1-W5) i et hydrokarbonproduksjonsfelt, der systemet omfatter: en pumpe (6, 206) innrettet på et brønnhode (5, 201) i fluidkommunikasjon med en passasje (207) for prosessfluid fra brønnen, idet pumpen er innrettet å motta brønnfluid produsert fra brønnen og til å levere fluidet til nedstrøms røropplegg eller utstyr, idet pumpen som omfatter en motor-/generatorenhet (100, 100', 100'') som kan operere som en generator ved at pumpen blir drevet av brønnfluid i kraftgenereringsmodus, og idet pumpen blir operert i kraftforbruksmodus ved drift av motor-/generatorenheten som en motor.

2. System i henhold til krav 1, idet pumpen (6, 206) er elektrisk forbundet med en kraftdistribusjonsenhet (8) konfigurert til å distribuere gjenvunnet energi til andre kraftforbrukere i systemet.

3. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 1 eller 2, idet pumpen (6, 106) er en helico-aksialpumpe tilpasset for trykkøking i flerfasefluid.

4. Trykkreguleringssystem i henhold til hvilket som helst av kravene 1-3, idet pumpen (6, 106) omfatter en motor- og generatorenhet der motoren er integrert i en kraft- og strømningsmodul (100, 100', 100'').

5. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 4, idet kraft- og strømningsmodulen (100, 100', 100'') er en elektrisk drevet strømningsmaskin der permanentmagneter (105) er montert langs omkretsen av en rotor (101), mens elektromagneter og statorviklinger (110) er montert på en kapsling (109) som omslutter rotoren.

6. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 5, idet rotoren i kraft- og strømningsmodulen omfatter rotorskovler (104) som er gitt en stigningsvinkel (a) mot strømningsretningen (F).

7. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 6, idet pumpen (6, 106) omfatter et sett med integrerte kraft- og strømningsmoduler innrettet i rekkefølge, idet hver kraft-og strømningsmodul (100, 100', 100'') er styrt individuelt via en dedikert frekvensomformer (9).

8. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 7, idet settet med kraft- og strømningsmoduler i pumpen omfatter kontraroterende rotorer (101), slik at hver rotor som roterer medurs følger etter en rotor som roterer moturs.

9. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 8, idet i et sett av kraft- og strømningsmoduler er hver modul innrettet til å følge direkte etter en foregående modul uten mellomliggende stasjonære guider mellom rotorene til suksessive kraft- og strømningsmoduler.

10. Trykkreguleringssystem i henhold til hvilket som helst av kravene 5-9, idet rotorskovlene(104) er konstruert slik som kurvet forover eller bakover i forhold til rotasjonsretningen (R) til rotoren, for overføring av energi til brønnfluidet, henholdsvis for å absorbere energi fra brønnfluidet.

11. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 10, idet i et sett av stablebare kraft- og strømningsmoduler er modulene vekselvis spesifisert for overføring av energi til brønnfluid eller for å absorbere energi fra brønnfluidet, ved hjelp av en tilsvarende utforming av rotorskovlene (104) .

12. Trykkreguleringssystem i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet den undersjøiske kraftdistribusjonsenheten (8) inneholder styrelogikk for å bestemme hvorvidt pumpen (6,206) skal operere i kraftforbruksmodus eller i kraftgenereringsmodus.

13. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 12, idet gjeldende brønnfluidtrykk blir overvåket og rapportert til SPDU (8) fra trykksensorer (11) som er innrettet på brønnhoder (5, 201).

14. Trykkreguleringssystemet i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet pumper (6, 206) er innrettet på brønnhoder (5, 201) og tjener til å utjevne trykk i brønnfluid utvunnet fra hydrokarbonbrønner (W1-W5) som produserer med ulike brønnfluidtrykk.

15. Trykkreguleringssystem i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet pumpen (206) er innrettet på en trykkreguleringsmodul (200) som kan kobles til et brønnhode eller et ventiltre (5, 201) på havbunnen eller overflaten, og som kan trekkes individuelt derfra.

16. Trykkreguleringssystemet i henhold til krav 15, idet pumpen (206) er inkludert i en strømningskrets som omfatter et innløpsrør (209), et utløpsrør (215) og et forbiløpsrør (212) .

17. Trykkreguleringssystem i henhold til krav 15 eller 16, idet trykksensorer (PT) og temperatursensorer (TT) er installert på trykkreguleringsmodulen (200) for å samle inn pumpe- og fluiddata som må til for å operere pumpen (206) som en virtuell strømningsmåler.

18. Fremgangsmåte for regulering av brønnfluidtrykk i brønnfluid produsert fra en hydrokarbonbrønn (W1-W5) i et hydrokarbonproduksjonsfelt, idet fremgangsmåten omfatter: - innretning av en pumpe (6, 206) på et brønnhode (5, 201) i fluidkommunikasjon med en brønnfluidpassasje (207) fra brønnen, idet pumpen omfatter en motor-/generatorenhet (100, 100', 100"), - øking av trykket i brønnfluidet ved å operere pumpen som motor i kraftforbruksmodus, og redusere trykket i brønnfluid ved å operere pumpen som generator i kraftgenereringsmodus, - idet pumpedata og fluiddata blir brukt ved beregning av den aktuelle strømmen gjennom pumpen.

19. Fremgangsmåte i henhold til krav 18, idet beregning av virkelig strømning er basert på tilgjengelig pumpe- og fluiddata som omfatter noen eller alle av følgende data som er registrert under trykkregulering: • fluidtrykk ved innløp og/eller utløp av pumpen • fluidtemperatur ved innløp og/eller utløp av pumpen • VSD-frekvens • VSD-spenning • VSD-strøm • VSD-effektfaktor • motorhastighet (omdr/min, beregnet fra VSD-data) • motorens effektforbruk (beregnet fra VSD-data).

20. Fremgangsmåte i henhold til krav 19 idet den i tillegg omfatter implementering av følgende: a) pumpekurver: en funksjon av strømningsrate og pumpevirkningsgrad basert på trykkdifferanse, motorhastighet (omdr/min), GVF (gassvolumfraksjon) og viskositet, og b) fluidkarakterisering: slik som tabeller eksportert fra simulatorer, i prosedyren for å operere pumpen (206) som en virtuell strømningsmåler.