NO309444B1 - Framgangsmåte for transport og lagring av gass og olje - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en framgangsmåte for transport og lagring av gass og olje, eller gass og kondensat, som angitt i den innledende del av patentkrav 1.

Bakgrunn

I tilfeller hvor det mangler rørledning for transport av gass er det vanskelig å gjennomføre en rasjonell utnyttelse av gassen. Gassen kan ikke forbrennes kontinuerlig, den kan ikke utnyttes på stedet, f. eks. på en plattform til havs og kan heller ikke føres til brukeren gjennom en rørledning.

En mulighet i slike tilfeller er å reinjisere verdifull gass tilbake til reservoaret i håp om å fremme oljeutvinningen. Utvinning av enkelte isolerte gassfelt, f. eks. til havs, er økonomisk umulig uten at det kan skje en utnyttelse på stedet eller en transport gjennom rørledning. Det er også foreslått behandling på stedet ved produksjon av flytende naturgass, slik som metanol og ammoniakk. De tre sistnevnte alternativene krever imidlertid omfattende behandling av naturgassen og/eller et annet gassprodukt og krever utstyr som er omfattende og dessuten i en skala som er lite egnet for drift til havs.

Slike oppgaver har tidligere blitt forsøkt løst ved framstilling av gasshydrater. Gasshydrater danner svært strukturerte systemer der alt vannet er hydrogenbundet i en åpen krystallstruktur ("tomt hydrat") hvis densitet er mindre enn for is. På grunn av krystallstrukturens åpne natur kan gassmolekyler immobiliseres og fanges inn i nettverkets hulrom uten å bryte hydrogenbindingene. Alle hydrogenatomene (med unntak av noen overflateatomer) er involvert i hydrogenbindinger, og gassmolekylene samvirker med vannmolekylene gjennom van der Waalske (upolare) krefter. På denne måten er hydratet en fase som muliggjør polar binding mellom vannmolekyler og upolart samvirke mellom fremmedmolekyler. For eksempel kan hydrater dannet fra 1 m<3> vann binde omlag 150-170 m3 metan. Dette har åpnet for nye muligheter for transport og lagring av hydratdannende gasser.

Som generelle eksempler på kjent teknikk fra patentlitteraturen innen fagområdet gasshydrater kan det vises til US patentskrift 3.888.434 og NO patentskrift 149976. Begge disse konseptene krever imidlertid bruk av høyt trykk for å realisere transport over lengre avstander for å unngå dissosiering av gass og vann fra hydratene.

NO patentskrift 172080 beskriver en framgangsmåte for framstilling av gasshydrater i en gassfasereaktor, for å muliggjøre transport og lagring av hydratdannende gasser. NO patentsøknad 944974 (publisert etter foreliggende søknads inngivelsesdato), beskriver en alternativ framgangsmåte for framstilling av gasshydrat. Hydrat-dannende gass og vann tilføres en væskefase-reaktor under trykk for dannelse av gasshydrat. For å oppta varmen fra den eksoterme hydrat-dannende reaksjonen tilføres reaktoren et kombinert kjøle- og reaktantmedium omfattende en slurry av iskrystaller av vann i en bærevæske, f. eks. vann eller kondensat av lette hydrokarbonfraksjoner. I reaktoren smelter iskrystallene i det minste delvis og opptar reaksjonsvarme fra den eksoterme hydratdannende reaksjonen mellom gass og vann, og vann og bærevæske separeres fra det framstilte hydrat i et påfølgende separasjonstrinn. Gasshydrater framstilt i henhold til de to sistnevnte patentpublikasjonene gjør det mulig å foreta separat transport av gass ved eller nær atmosfæretrykk under tilnærmet adiabatiske betingelser ved temperaturer under 0°C. En slik transport har åpenbare fordeler sammenliknet med transport av f. eks. LNG over lengre avstander og tidligere kjente hydratprosesser.

For små oljefelt, f. eks. marginale felt i Nordsjøen med lav produksjonsrate og kort levetid, er det i mange tilfeller økonomisk sett ugjennomførbart å foreta utvinning, da en oljeutvinning samtidig krever at en tar hånd om naturgassen. Med dagens teknologi må en foreta separat transport av olje og gass, der gassen enten bearbeides og transporteres som LNG, som væskeformige produkter som metanol eller andre kjemiske produkter, eller i form av gasshydrater. En slik transport krever separate lager- og transport-enheter og vil som nevnt foran gjøre det økonomisk uinteressant å foreta utvinning. På den andre siden kan en naturligvis også foreta brenning eller reinjisering av gassen tilbake i reservoaret, men da vil en miste det økonomiske potensialet som ligger i naturgassen.

Det eksisterer dessuten felt som ligger langt unna mottaksterminal og som krever transport med tankbåt over store avstander. I noen tilfeller er en henvist til rørtransport av oljen over store avstander, enten alene eller sammen med gass i en tofasestrøm, og i mange tilfeller blir gassen reinjisert tilbake i reservoaret. I slike tilfeller vil det oftest være økonomisk uinteressant å foreta bearbeiding av gass til gasshydrat da en ikke har noen reell transportmulighet for gasshydratet. På den andre siden krever tofasetransport av gass og olje høye trykk og følgelig økte kostnader, mens ved reinjisering av gass tilbake i reservoaret vil en miste en verdifull ressurs.

Formål

Hovedformålet med oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte for å transportere eller lagre olje/kondensat og gass.

Et annet formål med oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte som muliggjør transport av olje og gass over lengre avstander, særlig rørtransport, og utvinning av små oljefelter som i dag er ansett som ikke utvinnbare.

Oppfinnelsen

Disse formålene oppnås med en framgangsmåte ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de tilhørende uselvstendige kravene.

Oppfinnelsen er i ett henseende relatert til en framgangsmåte for transport og lagring av gass og olje, slik som naturgass og råolje fra produksjonssted til en fjerntliggende mottaks-terminal, eller for eksempel lossing av gasshydrat fra en tankbåt ved terminalen der gasshydratet har blitt transportert i fast form. Betegnelsen "kondensat" viser her til lette hydrokarbonfraksjoner fra f. eks. gassfelter, med generelt 4 eller flere karbonatomer per molekyl, særlig hydrokarboner med 4-10 karbonatomer per molekyl.

I en utførelsesform av oppfinnelsen omdannes gassen til gasshydrat på i og for seg kjent måte ved at den hydrat-dannende gass og vann føres sammen i en trykkreaktor av typen gassfase eller væskefase, hvoretter hydratet separeres fra vann, tørkes og kjøles ned, fortrinnsvis til en temperatur på -10°C, f. eks. som beskrevet i henholdsvis NO-C-172080 og NO-A-944974 angitt foran. For å lette det påfølgende innblandingstrinnet er det en fordel at hydratene finfordeles, f. eks. ved knusing.

I henhold til oppfinnelsen blir i korte trekk oljefasen kjølt ned og blandet med gasshydratene for slik å framskaffe en hovedsakelig homogen slurry av hydrat i olje, hvorved den resulterende slurry kan transporteres eller lagres i en og samme enhet ved nær atmosfærisk trykk ved temperaturer under 0°C, fortrinnsvis under minus 15°C, eller ved høyere trykk og temperatur i tilfelle slurryen skal pumpes over lengre avstander.

På denne måten kan en foreta praktisk talt trykkløs (atmosfærisk) transport og lagring av olje og gass i form av en fast stoff/væske-blanding ved bruk av en og samme transportenhet eller foreta rørtransport av olje og gass i form av en væske/fast-stoff-blanding ved moderate trykk- og temperaturbetingelser. Denne oppfinnelsen vil dermed gjøre det teknisk/ økonomisk mulig å foreta f. eks. utvinning av gass og olje fra små eller fjerntliggende produksjonsfeil der en fram til nå ikke har kunnet forsvare utvinning av gass på annet vis. Oppfinnelsen er særlig egnet til transport av olje og gass i form av en slurry med shuttletankere fra flytende produksjonsenheter, men transport i rørledning kan også anvendes.

I henhold til den foreliggende framgangsmåten utføres blandingen fortrinnsvis ved en temperatur og et trykk der gasshydratene er stabile, slik at en for det første unngår dekomponering av hydrat og for det andre unngår frigjøring av vann til den resulterende blandingen som kan skape problemer senere ved beleggdannelse og tilstopping av pumper og rør pga. utfrysing av vannfasen dersom transporten skjer ved en temperatur under vannets frysepunkt. Ved atmosfærisk trykk er det foretrukket at både oljefasen og gasshydratene før blanding har en temperatur under minus 10°C, men temperaturer opp til 0°C kan anvendes. Innblanding av hydrat i oljefasen kan skje på en hvilken som helst måte, for eksempel ved innmating av hydrat i en kontinuerlig strøm av olje i en rørledning, eller ved sammenblanding i en beholder ved hjelp av røreverk.

Mengdeforholdet mellom hydrat og olje er ikke kritisk, men av hensyn til slurryens pumpbarhet kan en generelt sette en praktisk øvre grense på hydratandel i slurryen til 50 vol%, siden økende andel av hydrat i slurryen vil gjøre den mer viskøs. Hydrat-andelen i slurryen vil i praksis bestemmes av gass/olje-forholdet i produktstrømmen.

Av hensyn til eventuell isdannelse under transport eller lagring av slurryen ved temperaturer under vannets frysepunkt, som beskrevet foran, er det dessuten en fordel at eventuelt vann tilstede i oljefasen separeres fra denne før sammenblanding av olje og hydrat finner sted. Den resulterende blandingen kan dessuten tilsettes deemulgerende midler for å hindre dannelse av W/O-emulsjon og evt. utfrysing av denne.

Mens olje og hydrat grovt sett oppviser samme varmekapasitet, er den termiske ledningsevne for oljefasen og kondensatfasen lavere enn for hydratene og utgjør bare omlag 30% av hydratets varmeledningsevne. Ved å betrakte varmetap fra hydrat under transport eller lagring alene, vil det følgelig være termodynamisk gunstigere å lagre/transportere hydrat innblandet i en olje- eller kondensatfase.

Ved lagring eller transport av en stasjonær (dvs. ikke strømmende) slurry vil en imidlertid kunne oppleve at hydrat kan felle ut i bunnen av f. eks. en tankbåt da hydratpartikler generelt har en høyere densitet enn oljefasen. I slike tilfeller kan det være påkrevet å foreta gjenoppblanding av slurryen dersom den skal pumpes videre og f. eks. separeres på mottaksstedet. Slik sedimentering eller bunnfelling av hydrat i oljefasen kan reduseres ved å anvende hydrat med liten partikkelstørrelse, da sedimentasjonshastigheten for partiklene avtar med avtakende partikkelstørrelse. Et annet alternativ er å redusere temperaturen i oljefasen slik at den blir mer viskøs, hvorved sedimentasjonshastigheten for hydratpartikler reduseres ytterligere. Det er også mulig å anvende skumdannere i kombinasjon med finfordelt gass, fortrinnsvis naturgass av hensyn til gassråstoffets kvalitet, i oljefasen som hefter seg fast til hydratpartikler og holder disse svevende i slurryen.

Lagring og transport finner sted ved nær adiabatiske betingelser og fortrinnsvis ved et trykk nær atmosfærisk, hvorved temperaturen må være 0°C eller lavere. Ved transport i f. eks. shuttletankere bør det anvendes godt isolerte tanker for å redusere varmegjennomgang til lasten.

På mottaksstedet blir slurryen fortrinnsvis trykksatt med hjelp av pumper eller tilsvarende for å unngå komprimering av naturgass etter separasjon. Deretter blir slurryen varmet opp slik at hydratene smelter og avgir gass. Gassen tas hånd om og håndteres/bearbeides avhengig av det aktuelle behov, mens væskefasen separeres i en oljefase og en vannfase. Den resulterende vannfasen kan med fordel anvendes på nytt i framstilling av gasshydrat, og ved skipstransport fra produksjonsenheter til havs kan en dermed laste tankene med vann og frakte dette tilbake til produksjonsstedet for ny opplasting av slurry, hvorved vannet losses og anvendes på nytt i hydratframstillingen.

Oppfinnelsen kan også anvendes ved lossing av tankbåter med fast gasshydrat, der hydrattankene om bord fylles med olje eller kondensat med en temperatur under 0°C for å danne en slurry av hydrat i flytende olje eller kondensat i tanken. Lossingen av hydrat i en kontinuerlig væskefase fra tanken om bord til terminalen kan utføres med pumper som vanligvis benyttes til pumping av slurry, siden den kontinuerlige fasen i slurryen holdes ved en temperatur der hydratene er stabile men kan flyte og pumpes. En annen fordel med den foreliggende oppfinnelsen er at slurryen, og den ledsagende gassen, kan komprimeres til et økt trykk med et moderat energibehov før separasjonstrinnet ved separering av olje/ kondensat og dekomponering av gasshydrat til vann og gass. Gassen kan på denne måten for-komprimeres til f. eks. 20 bar med en lav driftskostnad. Beregninger har vist at driftskostnadene forbundet med lossing og separasjon ved hjelp av slurry kan reduseres til en tredjedel av kostnadene forbundet med lossing og separasjon av fast gasshydrat.

Figur 1 viser et sterkt forenklet prosessflytskjema for framstilling av slurry på en flytende produksjonsenhet, og

figur 2 viser et sterkt forenklet prosessflytskjema for separasjon av slurry på et mottakssted på land.

Eksempel 1

Dette eksemplet har til hensikt å belyse prosessforløpet fra framstilling av slurry omfattende olje og gasshydrat framstilt på en flytende produksjonsenhet til havs, samt separasjon på mottakssted med henvisning til figur 1 og 2.

I henhold til figur 1 blir ferskvann, som fortrinnsvis er returtast i form av separasjonsvann fra landterminalen, tilført et produksjonstrinn for framstilling av en isslurry. Parallelt blir produktstrømmen fra oljebrønnen separert i en gassfase og en oljefase.

Gassfasen som har et trykk på omlag 25 bar, kjøles og komprimeres til omlag 55 bar og tilføres en hydratreaktor av typen væskefase sammen med den framstilte isslurry for framstilling av gasshydrat ved et trykk på omlag 50 bar og en temperatur på omlag +10°C. Det resulterende hydrat føres til et separasjonstrinn for å fjerne vann, og et frysetrinn hvorved hydratet fryses ned, fortrinnsvis til minus 10°C, og deretter trykkavlastes til omlag 1 bar.

Oljefasen føres til et separasjonstrinn for å fjerne vann, og deretter til ett eller flere frysetrinn, f. eks. med en første varmeveksler kjølt med sjøvann og videre i et propananlegg, for å bringe oljefasen ned til en temperatur på minus 10°C eller lavere. Temperaturen i oljefasen bør imidlertid ikke bli så lav at den resulterende viskositet gjør den vanskelig å håndtere.

Den resulterende oljefasen og det trykkavlastete og nedkjølte hydrat tilføres et trykkløst blandetrinn, f. eks. i form av en tank forsynt med røreverk, for å danne en slurry av naturgasshydrat i olje.

Den resulterende slurry av hydrat i olje pumpes til et transportskip eller lagres ved produksjonsstedet ved omlag atmosfærisk trykk og ved en temperatur på 0°C eller lavere, helst minus 10°C, og ved tilnærmet adiabatiske betingelser.

På mottaksstedet (figur 2) overføres hydratslurryen til en lagertank og videre til et smeltetrinn, hvorved hydratet smeltes ved innblanding av oppvarmet vann resirkulert fra den etterfølgende separasjon. Den resulterende gassfraksjon blir deretter om nødvendig komprimert, sendt til et vannfjerningstrinn og videre til andre prosesser eller lagerenheter. Som nevnt foran er det imidlertid foretrukket å foreta komprimering av slurryen med hjelp av pumper til et høyere trykk for å redusere eller eliminere kompressor-komprimering av den fraseparerte gassfasen. Den flytende fraksjonen føres videre til nok et separasjonstrinn der fraksjonen skilles i en vannfase og en oljefase. Vannfasen deles i en returstrøm, som varmes opp og føres tilbake til smeltetrinnet, og en awannstrøm, som føres til lagertank og tilbake til transportskipet for gjenbruk i hydratframstillingen på den flytende produksjons-enheten.

Eksempel 2

Det er foretatt en grov økonomisk evaluering av tre alternative måter for håndtering av gassfraksjonen fra en produksjonsbrønn: 1) Brenning av gassen på stedet, 2) Reinjeksjon av overflødig gass tilbake til reservoaret, og 3) Framstilling av en olj e/hydrat-slurry i henhold til oppfinnelsen. Alle alternativene er basert på at oljefraksjonen utvinnes og tas hånd om.

Produksjonsbrønnen er antatt å ha utvinnbare reserver på 5-10 Mtoe, en levetid på 3-5 år og et reservoartrykk på omlag 250 bar. Det ble videre estimert en produksjonsrate for olje på 5100 tonn/dag og 756 tonn gass/dag. Med hensyn til alternativ 3, dvs. alternativet ifølge den foreliggende oppfinnelsen, har en også innkalkulert investering både på transportsiden og på mottakssiden.

Forskjellen mellom investeringskostnadene for alternativ 2 og 3 er estimert til 272 mill kroner. Dersom en betrakter gassens markedsverdi på 50-70 øre pr. Sm<3>, vil en kunne nedbetale tilleggsinvesteringen i løpet av henholdsvis 1.9-1.3 år.

Den foreliggende oppfinnelsen anviser følgelig en framgangsmåte for lagring og transport av gass og olje som gjør det teknisk/økonomisk mulig å foreta utvinning av selv perifere små oljefelt som ikke har rørledningtilknytning.

Claims (3)

1. Framgangsmåte for transport og lagring av olje og gasshydrat eller kondensat og gasshydrat, særlig for transport av gass fra produksjonssted til en fjerntliggende mottaks-terminal, eller lossing av fast hydrat fra en beholder slik som en tankbåt ved en terminal, karakterisert ved at oljen eller kondensatfasen kjøles ned og blandes med gasshydrat for å framskaffe en hovedsakelig homogen slurry av hydrat i olje eller kondensat.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at hydratet finfordeles før eller under sammenblanding med oljen eller kondensatet.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at blandingen utføres ved et trykk på omlag 1 atmosfære, hvorved temperaturen i oljen eller kondensatet, og hydratmassen er lavere enn 0°C, særlig fra minus 5°C til minus 10°C.