NO304445B1

NO304445B1 - Dypvanns olje- og gassproduksjon- og transportsystem

Info

Publication number: NO304445B1
Application number: NO912757A
Authority: NO
Inventors: Fernando Homem Da Filho Costa
Original assignee: Petroleo Brasileiro Sa
Priority date: 1990-07-13
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1998-12-14
Also published as: BR9003370A; NO912757L; GB9115161D0; NO912757D0; GB2245917A; US5154741A; GB2245917B

Description

Oppfinnelsen vedrører et dypvanns olje- gassproduksjons- og transportsystem der produktet blir pumpet ved et petroleumsproduserende brønnhode, omfattende et første anlegg plassert på et undervannsfundament beliggende på sjøbunnen og er koplet til et neddykket ventiltre og et andre anlegg på et utvinningssted på overflaten, der forbindelsen mellom det første anlegg og det andre anlegg omfatter en fleksibel oljerørledning, en fleksibel gassrørledning og en hydraulisk og elektrisk ledningsbunt, det første anlegg omfatter en tofase olje-/gasseparator, en gasskjøler, en gass-væskeutskiller og en motor-pumpeenhet.

Således vedrører den et produksjons- og transportsystem for hydrokarboner, slik som olje og gass i dype farvann, der det er nødvendig med brønnhodepumping for petroleumsproduksjonen fordi disse brønner ikke har tilstrekkelig trykk til å overvinne vanndybden for strømning opp til plattformen.

I tilfellet av dypvannsproduksjon kan det verifiseres at en av faktorene som påvirker petroleumsstrømningen mest, hvis de fysiske egenskaper ikke er tatt i betraktning, er det hydrostatiske trykk som skyldes nivåforskjellen mellom brønnhodet og produksjonsplattformen. Dette hydrostatiske trykk, avhengig av situasjonen, kan representere mer enn 90$ av trykkfallet mellom brønnhodet og plattformen, og det er derfor nødvendig at petroleumen pumpes nær brønnhodet.

Mange prosjekter og ideer har vært foreslått med det formål å definere en metode for strømning av denne petroleum, hvor den enkleste og mest objektive metode er undervannsseparering av olje og gass og deres enfasede strømning opp til nærmeste plattform. Dette separeringssystem har de egenskaper som kreves for dypvannsinstallasjon og en motor-pumpe settes i gang for å la oljen strømme, som overvinner det høye trykk som kreves (det hydrostatiske pluss trykkfallet), som kjennetegner denne type applikasjon.

Det konvensjonelle produksjonssystem for oljefelter som produserer ved naturlig strømning består vanligvis av brønner, individuelle strømningsrør, manifolder, rørledninger og til slutt stigerør i tilfelle av installasjon til havs. De produserte fluider, vanligvis i form av en flerfaset blanding av olje, gass og vann, passerer gjennom alle komponentene i produksjonssystemet, til de når separerings-tanken installert på en samlestasjon (på land) eller på produksjonsplattformen (til havs).

Den individuelle brønnproduksjon er en direkte funksjon av trykkfallene fra reservoarformasjonen til separatoren. Derfor, når trykket ved separatoren holdes høyt, eller trykkfallet langs rørledningene er store, vil produksjons-mengdene ved brønnene være små, fordi den eneste energiform for bevegelse av blandingen er trykket i selve reservoaret.

Produksjonssystemene til havs som vanligvis benyttes i grunne farvann sikter mot å gjøre trykkfallene minst mulig, ved å gjøre lengden av strømningsrørene og stigerørene kortest mulig, og optimaliserer således brønnenes produksjonsnivå. Dette oppnås vanligvis ved å plassere produksjonsplattformen (med pumpe- og prosessystemene) direkte over det området som reservoaret er.

I tilfelle av oljefelter på dype farvann (over 400 m), er posisjoneringen av plattformen direkte over reservoaret en vanskelig operasjon, fordi det krever anvendelse av enorme faste konstruksjoner eller komplekse flytende konstruksjoner, hvor begge er uoverkommelige nå, både ut fra tekniske og økonomiske synspunkter.

Til tross for kontinuiteten av undersøkelsesarbeidet som omhandler posisjonering av plattformen direkte over reservoaret, har ulike andre produksjonsalternativer vært betraktet. Blant de mest lovende er de som gjør bruk av brønnkomplettering med neddykkede ventiltrær og et pumpesys- tem som kan tilføre energi til de produserte fluider, med det formål å transportere disse til en produksjonsplattform som ligger på grunnere farvann eller direkte på land.

Den tekniske vanskelighet med dette siste produksjonsalter-nativ ligger i pumpesystemet, som må arbeide med høye trykk og strømningsmengder i flerfasede blandinger. Bruken av disse flerfasepumper er basert på nødvendigheten av lavtrykks vedlikehold ved brønnhodet for å sikre et tilstrekkelig produksj onsnivå.

Med det formål å løse vanskelighetene opplistet ovenfor, er et nytt konsept tilveiebragt, i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, med et dypvanns olje- og gassproduksjonssystem og transportsystem, i hvilket separeringen av flerfasebland-ingen som utgår fra brønnen oppnås umiddelbart ved utgangen fra det neddykkede ventiltre, som således letter fluidtran-sporten, som nå er enfaset, mot plattformen eller enheten som samler oljen og gassen.

I samsvar med den foreliggende oppfinnelse er det tilveiebragt et system av den innledningsvis nevnte art som kjennetegnes ved at det andre anlegg omfatter en styreenhet for motor-pumpeenheten, en trykkavlastningsventil for samtidig styring av strømningen gjennom gassrørledningen og gjennom gass-væskeutskilleren og gjennom tofase-separatoren, samt en programmerbar logisk styreenhet.

Hovedapplikasjonen for dette undervanns separeringssystem er i oljefelter på store dyp. I denne type applikasjon er det mulig å overvinne det hydrostatiske trykk, som således sikrer strømningen av oljen og gir følgelig økning i produksjon og i reservoarutvinning. Det er også mulig å øke avstanden fra brønnen til plattformen ved å tillate oppankring av plattformen i grunne farvann.

En annen type applikasjon av systemet ifølge oppfinnelsen er produksjon på mindre felter, der installasjon av en produksjonsplattform ikke er mulig, men kan i dette tilfellet produsere direkte til en avlastnings-monobøye eller en nærliggende plattform.

Fig. 1 viser et illustrerende riss over et dypvanns olje- og

gassproduksjons- og transportsystem,

fig. 2 viser et skjematisk riss av systemet;

fig. 3 viser et skjematisk riss av en hastighetsregulator for motor-pumpesettet installert på plattformen, som benyttes i systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse ;

fig. 4 viser et snitt sett forfra av en omhylling som inneholder den elektriske kabel, hydraulikkbunten,

gassrørledningen og oljerørledningen,

fig. 5 er en illustrerende avbildning som viser en applikasjon av systemet ifølge oppfinnelsen ved dypvanns

oljefelter;

fig. 6 er en illustrerende avbildning som viser en applikasjon av systemet ifølge oppfinnelsen på mindre felter, der installasjonen av en produksjonsplattform ikke er mulig, og det produseres direkte til en

avlastnings-monobøye;

fig. 7 er en illustrerende avbildning som viser en applikasjon av systemet ifølge oppfinnelsen med direkte produksjon til en nærliggende plattform.

Som det fremgår av fig. 1 og 2, innbefatter dypvanns olje- og gassproduksjons- og transportsystemet angitt generelt med henvisningstallet 50, og plassert på et undervannsfundament 52 understøttet av sjøbunnen og koplet til det neddykkede ventiltre 54, grunnleggende en 2-fase olje/gass vertikalseparator 56, for tilføring av petroleum som forlater brønnen og passerer gjennom ventiltreet 54, en gasskjøler 58 benyttet til å senke temperaturen for videre uttak av kondensat fra gassen som utgår fra separatoren 56, en vertikal rørformet væskeutskiller 60 benyttet for rensing og strømning av gass som forlater kjøleren 58 og et motor-pumpesett 62. Dette motor-pumpesett består av en sentrifugalpumpe 64 drevet av en elektrisk induksjonsmotor 66 og, plassert på plattformen 68 eller enheten som samler oljen og gassen, er det en hastighetsregulator 70 for motor-pumpesettet som er en likeretter 72 koplet til en vekselretter med variabel frekvens og spenning 74, en trykkavlastningsventil 76 for parallell styring av gassrørledningen 78, av gasskrubberen 60 og av gass/olje separatoren 56, samt en programmerbar logisk styreenhet 80. Sammenknytningen mellom plattformen 68 og undervannsfundamentet 52 oppnås ved hjelp av den fleksible oljerørledning 82, den fleksible gassrørledning 78 og den hydrauliske og elektriske ledningsbunt 84.

Fig. 2 viser et skjema som detaljerer driften av systemet ifølge oppfinnelsen, og blir beskrevet, som en forenkling, som et utlagt system.

Petroleumen som forlater brønnen passerer gjennom ventiltreet 54, entrer direkte separatoren 56, der 2-fase separering av olje og gass oppnås. Nivåstyringen i separatoren 56 oppnås som følger: en nivåføler 86 installert i separatoren 56 sender et signal gjennom en styrekabel 88 opp til plattformen 68 der et slikt nivåsignal mottas av den programmerbare logiske styreenhet (PLC) 80 som tolker, sammenligner med innstillingsverdien og sender et signal til hastighetsregulatoren 70 om handlingen som skal tas som en funksjon av avviket i det variabelt styrte nivå. Denne hastighetsregulator 70 styrer rotasjonen hos den elektriske motoren 66 for pumpen 64 som er koplet til undervannsseparatoren 56. Etterhvert som nivåsignalet varierer, endrer hastighetsregulatoren 70 rotasjonen på motor-pumpesettet 62, som får strømningen av den pumpede olje til å variere, for slik å opprettholde nivået i separatoren 56.

Gassen som forlater separatoren 56 passerer gjennom en kjøler 58 med det formål å senke dens temperatur for ytterligere uttak av kondensat. Denne kjøler 58 er en varmeveksler av rørformet type som utveksler varme mellom gassen og omgivel-sen (sjøvann som ved denne dybde når en temperatur opp til 4°C).

Gassen, etter at den har passert gjennom kjøleren 58, entrer væskeutskiHeren der dens kondensat fjernes. I bunnen av væskeutskilleren 60 er det en renser 90 som sender kondensatet direkte til inntaket på oljepumpen- 64. For å få strømmen eller tappingen av dette kondensat til å gå til inntaket på pumpen 64 er det nødvendig at trykket i inntaket til pumpen 64 er lavere enn det for væskeutskilleren 60. For å få dette til er det en venturi (ved å benytte en plate med åpningen 92 eller en innsnevring i ledningen) mellom gass/olje separatoren 56 og inntaket av pumpen 64. Således tappes kondensatet fra væskeutskilleren 60 til inntaket på oljepumpen 64, blandes og pumpes med olje, som hjelper betydelig oljestrøm-ningen, ettersom en mindre tilførsel av kondensat til oljen får dens viskositet til å falle brått, og deretter entrer gassen som forlater væskeutskilleren 60, allerede uten kondensat, direkte gassrør-ledningen 78 for å gå til plattformen 68.

Trykkstyringen i gassrørledningen 78 for væskeutskilleren 60 og for gass/olje separatoren 56 oppnås samtidig med en enkelt ventil 76 installert på plattformen 68. Justering av gass/olje separeringstrykket oppnås ved hjelp av denne styreventil, tatt i betraktning trykkfallet i gassen opp til plattformen.

Med hensyn til gass/olje separatoren 56 er hovedstørrelsene som skal dimensjonere for denne vanndybden, strømningsmengden og egenskapene til petroleumen og separeringstrykket. Det minste separeringstrykk beregnes som en funksjon av gass-separert volum og av trykkforskjellen i gassrørledningen 78 som er nødvendig for strømning av denne gass. Det maksimale separeringstrykk er det høyeste trykk ved hvilket separeringen sikrer en enfaset oljestrøm. Når maksimum- og minimumsgrensene for separeringstrykket er definert, idet man kjenner strømningsmengden og egenskapene til petroleumen, beregnes tiden for fluidets opphold i separatoren, dvs. volumet av separatoren.

Ettersom separatoren skal motstå høye ytre trykk, fordi den skal installeres i dype farvann, er det format som best tilpasser seg denne tilstand uten å hemme dens ytelse, en vertikal sylinder. Denne separatoren kan eller trenger ikke å oppta en forsterkning i form av ringer eller vertikale stenger. En nivåføler 86 er anordnet på innsiden av separatoren, hvilken føler sender et elektrisk signal via den elektriske kabel 88 fra separatornivået til styreenheten på plattformen 68.

Motor-pumpesettet 62 som består av en sentrifugalpumpe 64 drevet av en elektrisk induksjonsmotor 66 er forseglet som ikke tillater det ytre trykk å sette trykk på dens innside.

Den elektriske kabel 88 er dannet av tre kraftårer for tilførsel til motoren 66, pluss minst et par styreledninger for nivåføleren 86. Dette antall kan være høyere, i tilfelle det er ønskelig å øke påliteligheten eller antallet parametre som skal måles. Den hydrauliske bunt 84 for styring av ventiltreet 54, hvortil separatoren 56 er koplet, kan den elektriske kabel 88 og olje- og gassrørledningene 78 og 82 være i et enkelt stykke eller dannes av adskilte stykker (som vist i fig. 4).

Hastighetsregulatoren 70 som er installert ved plattformen 68 omfatter grunnleggende en likeretter 72 som er koplet til en inverter eller vekselretter av variabel frekvens og spenning 74 som vist på fig. 3. Ved å variere spenningen og frekven-sen ved utgangen fra vekselretteren 74 er det mulig å variere rotasjonen til motoren 66 og følgelig å justere kurven til pumpen 64 til forholdene for separeringsprosessen, som gis av signalet som kommer fra nivåføleren 86.

Ventilene 96 benyttet på undervannsfundamentet 52 er av kuletypen, og kan bli manuelt åpnet før de senkes ned. Styreventilen 76 som ligger ved plattformen 68 der gassrør-ledningen 78 ankommer, kan være av den selvaktiviserende kuletypen ettersom dens innstillingspunkt kan lett endres om nødvendig.

Væskeutskilleren 60 oppviser den vertikale sylindriske form, med forsterkning eller ikke, avhengig av dens dimensjoner og vanndybden. I bunnen av denne er det en utslippanordning 90, som er en bøye. Når den flyter i den kondenserte gass, åpner en åpning 98 og gjennom denne tappes kondensatet til pumpens 64 inntak.

Videre, som det best kan sees av fig. 4, holdes sammenstil-lingen dannet av den fleksible gassrørledning 78, den fleksible oljerørledning 82, den elektriske kabel 88 og den hydrauliske bunt 84 innenfor en stram omhylling 100 som virker som et enkelt stykke.

Hovedapplikasjonen for systemet ifølge oppfinnelsen er på dypvanns petroleumsfelter. I denne type applikasjon er det mulig å overvinne det hydrostatiske trykk, som sikrer strømning av oljen og følgelig en økning i produksjonen og i reservoarutvinningen. Det er også mulig å øke avstanden fra brønnen til plattformen, som gjør at plattformen kan oppankres i grunnere farvann, som det kan sees i fig. 5.

En annen type applikasjon for systemet ifølge oppfinnelsen er produksjon fra mindre felter i grunnere farvann (under 400 m) der installasjonen av en produksjonsplattform ikke er mulig. I dette tilfellet er det mulig å produsere direkte til en avlastningsbøye 102, som vist på fig. 6, eller til en nærliggende plattform 104, som vist på fig. 7.

De felles fordeler for alle applikasjoner av systemet ifølge oppfinnelsen er at det oppnås en fjernbetjening med basisen på en plattform eller på land; at det blir en sikrere drift fordi operatøren ikke står nær et risikoområde; at man reduserer vekten av anleggene som er installert på plattform-ene; og at det oppnås en hurtigere installasjon som frem-skynder produksjonen.

Claims

1. Dypvanns olje- og gassproduksjons- og transportsystem (50), der produktet blir pumpet ved et petroleumsproduserende brønnhode, omfattende et første anlegg plassert på et undervannsfundament (52) beliggende på sjøbunnen og er koplet til et neddykket ventiltre (54) og et andre anlegg på et utvinningssted (68) på overflaten, der forbindelsen mellom det første anlegg og det andre anlegg omfatter en fleksibel oljerørledning (82), en fleksibel gassrørledning (78) og en hydraulisk og elektrisk ledningsbunt (84), det første anlegg omfatter en tofase olje-/gasseparator (56), en gasskjøler (58), en gass-væskeutskiller (60) og en motor-pumpeenhet (62),karakterisert vedat det andre anlegg omfatter en styreenhet (80) for motor-pumpeenheten (62), en trykkavlastningsventil (76) for samtidig styring av strøm-ningen gjennom gassrørledningen (78) og gjennom gass-væskeutskilleren (60) og gjennom tofase-separatoren (56), samt en programmerbar logisk styreenhet (80).

2. System ifølge krav 1,karakterisert vedat motor-pumpeenheten (62) innbefatter en sentrifugalpumpe (64) som blir drevet av en elektrisk induksjonsmotor (66).

3. System ifølge krav 2,karakterisert vedat motor-pumpeenheten (62) er forseglet for å hindre at det utvendige trykk blir overført til dens innside.

4 . System ifølge krav 2 eller 3,karakterisertved at styreenheten er en hastighetsregulator (70) for å styre rotasjonen til den elektriske motor (66) på pumpen (64) koplet til separatoren.

5. System ifølge krav 4,karakterisert vedat hastighetsregulatoren (70) innbefatter en likeretter (72) koplet til en vekselretter (74) av variabel frekvens og spenning (74).

6. System ifølge ett av de foranstående krav,karakterisert vedat en nivåføler (86) er installert i separatoren (56) og nivåføleren (86) kan sende et signal gjennom den elektriske kabel til det andre anlegg, hvilket nivåsignal blir mottatt av den programmerbare logiske styreenhet (80) som tolker signalet, sammenligner det med et referansesignal og sender til styreenheten (80) et styre-signal for pumpe-motorenheten (62).

7. System ifølge ett av de foranstående krav,karakterisert vedat kjøleren (58) er en varmeveksler som utveksler varme mellom gassen og sjøvannet.

8. System ifølge krav 7,karakterisert vedat varmeveksleren er av rørtypen.

9. System ifølge et av de foranstående krav,karakterisert vedat ventilene benyttet i det første anlegg er av kuletypen.

10. System ifølge et av de foranstående krav,karakterisert vedat styreventilen (76) er av den selv-virkende kuletype.

11. System ifølge ett av de foranstående krav,karakterisert vedat gass-væskeutskilleren (60) er av en vertikal, sylindrisk form.

12. System ifølge et av de foranstående krav,karakterisert vedat gass-væskeutskilleren (60) innbefatter i sin bunn en flottør som flyter i den kondenserte gass for å åpne et lite hull gjennom hvilket kondensatet dreneres til pumpens inntak.

13. System ifølge et av de foranstående krav,karakterisert vedat den fleksible gassrørledning (78), den fleksible oljerørledning (82), den elektriske og hydrauliske ledningsbunt (84) blir alle holdt innenfor et felles hylster stramt mot deres yttersider.

14. System ifølge ett av kravene 1 til 13,karakterisert vedat utvinningsanlegget er en plattform.