NO314750B1 - Fremgangsmåte og system for å hindre vekst av v¶skeplugger i en ström av flerfasefluid - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår undertrykkelse av væskepluggstrøm i en flerfase-fluidstrøm. Mer presist angår oppfinnelsen en fremgangsmåte og et system for å hindre utvikling av væskeplugger i en strøm av flerfasefluid som strømmer gjennom et rørledningssystem som omfatter en stigerørseksjon og en gass/væskeseparator plassert nedstrøms for stigerørseksjonen.

I olje- og gassindustrien er det vanlig praksis å transportere et flerfasefluid som inneholder råolje eller kondensat, vann og gass fra en brønn gjennom ett enkelt rørledningssystem til et prosesseringsanlegg. For eksempel ved offshore-oljeproduksjon transporteres råolje, produksjonsvann og assosiert gass vanligvis samtidig gjennom en enkelt undervannsrørledning til utstyr for gass/væskeseparasjon plassert på land eller på

en offshore-plattform. I en slik fierfasestrøm er det kjent ulike typer strømning, deriblant lagdelt strøm, kjernestrøm, tåkestrøm og væskepluggstrøm. Av disse strømningstyper skal væskepluggstrøm generelt unngås ettersom den består av vekslende porsjoner av væske (betegnet væskeplugger) og gasslommer. Under visse strømningsbetingelser kan utvikling av væskeplugger lett finne sted, hvilket medfører omfattende pluggdannelse hvorved et strømningsmønster fås med avvekslende produksjonsstans (ingen strømning), store væskeplugger og kraftige gasslommer ved utløpet av rørledningssystemet. Å tilføre et slikt vekslende mønster av væskeplugger og gasslommer til en gass/væskeseparator reduserer virkningsgraden til separatoren sterkt, ettersom gass/væskeseparatoren må drives med akseptable trykkfluktuasjoner og bør levere et akseptabel lavt væskeinnhold i gassutløpsledningen og et akseptabelt lavt gassinnhold i væskeutløpsledningen.

En fremgangsmåte for å forebygge væskepluggvekst i et rørledningssystem under samtidig transport av en gass og en væske gjennom rørledningssystemet er beskrevet i Oil & Gas Journal, 12. nov. 1979. Ved denne kjente fremgangsmåte plasseres en ventil på toppen av et stigerør, ventilen reguleres manuelt eller automatisk slik at rørledningstrykket oppstrøms av stigerøret minimeres og differansetrykkfluktuasjonene i stigerøret minimeres. Givere benyttes for å sende trykksignaler for å regulere ventilen, hvilke givere er installert på undervannsdelen av rørledningssystemet. Denne kjente fremgangsmåte er basert på de antagelser at alvorlig væskepluggdannelse kun finner sted i rørledninger med en seksjon som heller nedover sett i strømretningen, og at væskepluggvekst kan forhindres ved å regulere den volumetriske fluidstrøm som en funksjon av fluidtrykkvariasjoner.

I japansk patentsøknad 63-274408 beskrives en apparatur for separator-kontroll som justerer en ventil i et gassutløp fra en gass/væskeseparator ved å tilføye utgangssignalene fra en ultralyd-flerfasestrømningsmåler i innløpet til separatoren og fra et manometer inne i separatoren, for å holde et konstant trykk i separatoren.

I europeisk patentskrift 410 522 beskrives en fremgangsmåte for å hindre væskepluggvekst i en strøm av flerfasefluid som strømmer fra en rørledning inn i en gass/væskeseparator, hvorved styreanordninger for fluidstrømningshastighet er anordnet for å manipulere fluidstrømningsmengden.

Denne kjente fremgangsmåte omfatter måling av væskestrømningshastig-heten i væskeutløpet fra separatoren og gasstrømningshastigheten i gassutløpet fra separatoren, bestemmelse av fluidstrømmen definert som summen av væske- og gasstrømningshastigheten, og drift av kontrollanordningene for fluidstrømningshastig-heten slik at variasjonen av fluidstrømningen reduseres. En ulempe ved denne kjente fremgangsmåte og ved den fremgangsmåte som er beskrevet i japansk patentsøknad 63-274408, er at måling av summen av væske- og gasstrømningshastighetene i en flerfase-fluidstrøm er vanskelig og krever komplisert måleutstyr.

Et formål med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte og ét system for å hindre vekst av væskeplugger i et rørledningssystem.

Med den foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en fremgangsmåte for å hindre vekst av væskeplugger i en strøm av flerfasefluid som strømmer fra en rørledning inn i en gass/væskeseparator, hvor gass/væskeseparatoren har et væskeutløp som er forsynt med en styreanordning for væskestrøm, og et gassutløp som er forsynt med en styreanordning for gasstrøm, idet fremgangsmåten omfatter de trinn

- å måle væskenivået i separatoren, og

- å måle minst én kontrollvariabel valgt blant væskestrømningshastigheten i væskeutløpet, gasstrømningshastigheten i gassutløpet, summen av væskestrømningshastigheten i væskeutløpet og gasstrømningshastigheten i gassutløpet, og fluidtrykket ved eller nær separatoren,

og fremgangsmåten er særpreget ved at den videre omfatter det trinn

- å operere kontrollanordningen for væskestrømningshastigheten og kontrollanordningen for gasstrømningshastigheten i det vesentlige på grunnlag av de nevnte målinger, slik at forskjellen mellom væskenivået og en valgt referanseverdi for væskenivået reduseres, og slik at forskjellen mellom kontrollvariabelen og en valgt referanseverdi for kontrollvariabelen reduseres.

Ved å styre væskenivået i separatoren slik at det blir så konstant som mulig, og ved å styre kontrollvariabelen slik at den blir så konstant som mulig, oppnås forbedret kontroll over strømningsmønsteret i rørledningssystemet slik at vekst av væskeplugger kan forhindres på forbedret måte. Videre ble det funnet at istedenfor å velge fluid-strømmen (som er summen av væskestrømningsmengden og gasstrømningsmengden) som kontrollvariabel, kan væskestrømningshastigheten, gasstrømningshastigheten eller fluidtrykket velges som kontrollvariabel.

Videre tilveiebringes det med den foreliggende oppfinnelse et system for å hindre vekst av væskeplugger i en strøm av flerfasefluid som strømmer fra en rørledning inn i en gass/væskeseparator, hvor gass/væskeseparatoren har et væskeutløp som er forsynt med en styreanordning for væskestrømningshastighet, og et gassutløp som er forsynt med en styreanordning for gasstrømningshastighet, idet systemet omfatter

- en anordning for å måle væskenivået i separatoren,

- anordninger for å måle minst én kontrollvariabel valgt blant

væskestrømningshastigheten i væskeutløpet, gasstrømningshastigheten i gassutløpet, summen av væskestrømningshastigheten i væskeutløpet og gasstrømningshastigheten i gassutløpet, og fluidtrykket ved eller nær separatoren,

og systemet er særpreget ved at det videre omfatter

- en anordning for å operere styreanordningen for væskestrømningshastigheten og styreanordningen for gasstrømningshastigheten i det vesentlige på grunnlag av utgangssignalene fra måleanordningene, slik at forskjellen mellom væskenivået og en valgt referanseverdi av væskenivået reduseres, og slik at forskjellen mellom kontrollvariabelen og en valgt referanseverdi av kontrollvariabelen reduseres.

Selv om skadelig pluggdannelse kan ha ulike årsaker, anses to fysiske mekanismer generelt å medføre skadelig pluggdannelse, for det første væsk-eakkumulering i et lavt punkt i rørledningssystemet slik at gasstrømmen derved blokkeres, og for det andre en væskeplugg som reduserer hastigheten av fluidet i rørledningen når pluggen strømmer gjennom en del av rørledningssystemet som heller oppover, og derved forårsaker et øket gasstrykk og en øket væskeforsinkelse oppstrøms av rørledningsdelen som heller oppover. En slik oppadhellende del kan for eksempel være et offshore-produksjonsstigerør. Når væskepluggen forlater den oppadhellende del, akselereres strømmen noe på grunn av det økede gasstrykk. En neste plugg oppstrøms av pluggen som forlater den oppadhellende del, akselereres også og vinner dermed over den økede væskeforsinkelse. Derfor vil denne neste plugg vokse noe, hvilket medfører intensiverte etterfølgende hastighetsfluktuasjoner. På denne måte avgis væskeplugger av økende lengder fra rørledningsssystemet. Den andre mekanisme kan understøtte den første mekanisme, men ble funnet å opptre også når et lavt punkt i rørledningssystemet ikke finnes.

Rørledningen danner fortrinnsvis en nedstrømsendedel av et undervanns-rørledningssystem som fører til en offshore-plattform, idet den nevnte ende passende er et stigerør som munner ut i gass/væskeseparatoren.

Kontroll av væskenivået i separatoren oppnås effektivt dersom kontrollanordningen for væskenivå opereres slik at forskjellen mellom væskenivået og den valgte referanseverdi for væskenivået reduseres, og kontrollanordningen for gasstrømningshastighet opereres slik at forskjellen mellom kontrollvariabelen og referanseverdien av kontrollvariabelen reduseres.

Under en oppstartingsperiode av fremgangsmåten, for eksempel når kontrollen omkobles fra manuell til automatisk, hvilket kan være like etter blokkering av stigerørseksjonen på grunn av akkumulert væske i en væskeplugg som har gått inn i stigerørseksjonen, og før væskepluggen når separatoren, velges kontrollvariabelen fortrinnsvis å være fluidtrykket ved eller nær separatoren. Når væskepluggen under oppstartperioden har begynt å strømme inn i separatoren, er det passende å velge kontrollvariabelen som væskestrømningshastigheten i væskeutløpet fra separatoren.

Skadelig pluggstrømning kan effektivt undertrykkes hvis kontrollvariabelen velges å være væskestrømningshastigheten i væskeutløpet fra separatoren, enten kontinuerlig eller etter oppstartperioden.

Alternativt kan kontrollvariabelen passende velges som summen av væskestrømningshastigheten i væskeutløpet og gasstrømningshastigheten i gassutløpet, enten kontinuerlig eller etter oppstartperioden.

Referanseverdien av kontrollvariabelen, når kontrollvariabelen er væskestrømningshastigheten eller summen av væskestrømningshastigheten og gasstrømningshastigheten, kan oppnås ut fra oppstrømsmålinger, eller alternativt, kan passende genereres ved å redusere forskjellen mellom fluidtrykket ved eller nær separatoren og en valgt referanseverdi av fluidtrykket.

Gass/væskeseparatoren som er angitt ovenfor, kan ha tilstrekkelig kapasitet for prosessering av fluidstrømmen, i hvilket tilfelle separatoren kan være den eneste separator i systemet. Alternativt kan separatoren være en miniseparator som er beliggende oppstrøms av en pluggoppfangingsseparator. Miniseparatoren danner da en førstetrinnsseparator hvorfra gassutløpet og væskeutløpet munner ut i pluggoppfangingsseparatoren som da utgjør en andretrinnsseparator.

Oppfinnelsen skal nå beskrives mer detaljert og ved hjelp av et eksempel under henvisning til tegningene, der: Fig. 1 skjematisk viser et rørledningssystem for utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, Fig. 2 skjematisk viser et kontrollsystem for anvendelse i rørlednings-systemet i henhold til Fig. 1, og Fig. 3 viser et diagram som angir variasjonen av væskestrøm i et rørled-ningssystem som funksjon av tid, hvorved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er blitt utøvet. I Fig. 3 representerer den horisontale akse tiden i sekunder og den vertikale akse representerer væskevolumet (i liter) i den store separator.

Rørledningssystemet på Fig. 1 omfatter en rørledning 1 som strekker seg fra sjøbunnen 3 fra et brønnhode (ikke vist) til en offshore-plattform 5, en oppadhellende rørledningsseksjon i form av et stigerør 7 koblet til plattformen 5, og en gass/væske-separator 9 med et væskeutløp 13 og et gassutløp 14. Væskeutløpet 13 er forsynt med en styreventil for væskestrøm 15, og gassutløpet er forsynt med en styreventil for gasstrøm 16. Ventilene 15 og 16 kan være av hvilken som helst egnet type, slik som en hvirvel-forsterker beskrevet i The Oilman, august 1987, sidene 82-85. En gasstrømmåler 17 er anordnet i gassutløpet 14 og en væskestrømmåler 19 er anordnet i væskeutløpet 13. Separatoren 9 er videre utstyrt med en måler for væskenivå 25 og en trykkmåler 27. Det er anordnet et kontrollsystem 30 som mottar signaler fra gasstrømmåleren 17, væskestrømmåleren 19, væskenivåmåleren 25, og trykkmåleren 27, og kontrollsystemet 30 styrer ventilene 15 og 16 på en måte som avhenger av signalene som mottas av kontrollsystemet 30. Væskeutløpet 13 og gassutløpet 14 er i fluidkommunikasjon med det indre av en pluggoppfangingsseparator (ikke vist) som er beliggende nedstrøms av separatoren 9. Pluggoppfangingsseparatoren har en størrelse som er vesentlig større enn separatoren 9.

På Fig. 2 vises kontrollsystemet 30 på Fig. 1 skjematisk og mer detaljert, hvorved tilsvarende henvisningstall refererer til tilsvarende komponenter. Pilene vist på

Fig. 2 indikerer signalretningen for elektriske styresignaler fra én komponent til en annen. Kontrollsystemet 30 omfatter en væskenivåstyrer 32 som styrer ventilen 15 som reaksjon på inngangssignaler som mottas fra væskenivåmåler 25 via en kontrollledning 34 og fra et væskenivåsettpunkt 36 via en kontrollledning 38. En trykkstyrer 40 kan tilkobles ventilen 16 via en bryter 42 og en kontrolledning 44 slik at ventilen 16 styres som reaksjon på inngangssignaler som mottas fra trykkmåleren 27 via kontrolledningen 46 og fra et trykksettpunkt 48 via en kontrolledning 49. En væskestrømningsstyrer 50 kan kobles til ventilen 16 via bryteren 42 og kontrolledningen 44 slik at ventilen 16 styres som reaksjon på inngangssignaler som mottas fra væskestrømmåleren 19 via en kontrolledning 52 og et væskestrømsettpunkt 54 via en kontrolledning 55. En blandings-styrer 56 kan kobles til ventilen 16 via bryteren 42 og kontrolledningen 44 slik at ventilen 16 styres som respons på inngangssignaler som mottas fra gasstrømmåleren 17 via en kontrolledning 58, fra væskestrømmåleren 19 via en kontrolledning 60, og fra en trykkstyrer 62 via en kontrolledning 64. Signalene i kontrolledningene 58 og 60 summeres for å gi et fluidstrømsignal som overføres til blandingsstyreren via en kontrolledning 59. Trykkstyreren 62 mottar inngangssignaler fra trykkmåleren 27 via en kontrolledning 65 og fra et trykksettpunkt 66 via en kontrolledning 67.

Under normal drift av det på Fig. 1 viste rørledningssystem strømmer en blanding av gass og væske fra brønnhodet gjennom undervannsrørledningen 1 og stigerøret 7 inn i gass/væskeseparatoren 9. Gass slippes ut fra separatoren 9 gjennom gassutløpet 14 og væske gjennom væskeutløpet 13. Den volumetriske gasstrømmen i gassutløpet 14 måles kontinuerlig ved anvendelse av gassvolumetrisk strømningsmåler 17, og den volumetriske væskestrøm i væskeutløpet 13 måles kontinuerlig ved anvendelse av den volumetriske væskestrømmåler 19. Væskenivået i separatoren 9 måles kontinuerlig ved anvendelse av væskenivåmåleren 25, og trykket i separatoren 9 måles kontinuerlig ved anvendelse av trykkmåleren 27.

Når styring av fluidstrømmen ved anvendelse av kontrollsystemet 30 startes, for eksempel når kontrollen omkobles fra manuell til automatisk like etter blokkering av stigerøret 7 på grunn av forekomst av en plugg, omkobles bryteren 42 til den posisjon hvor trykkstyreren 40 kobles til ventilen 16. Trykkstyreren 40 styrer ventilen 16 slik at forskjellen mellom trykksignalet fra trykkmåleren 27 og signalet fra settpunktgiveren 48 reduseres. Styreventilen 15 styres av nivåstyreren 32 slik at forskjellen mellom signalet fra væskenivåmåleren 25 og signalet fra settpunktgiveren 36 reduseres. Når en væskeplugg begynner å strømme inn i separatoren, omkobles bryteren 42 til den posisjonen hvor væskestrømningsstyreren 50 er koblet til ventilen 16. Væskestrøm-styreren 50 styrer ventilen 16 slik at forskjellen mellom væskestrømningssignalet fra strømningsmåleren 19 og signalet fra settpunktgiveren 54 reduseres. Deretter omkobles bryteren 42 til den posisjon hvor blandingsstyreren 56 er koblet til ventilen 16, hvorved blandingsstyreren 56 styrer ventilen 16 slik at forskjellen mellom strømningssignalet, definert som summen av væskestrømsignalet fra væskestrømsmåleren 19 og gasstrøm-signalet fra gasstrømmåleren 17, og signalet mottatt fra trykkstyreren 62, reduseres. Trykkstyreren 62 tilveiebringer et inngangssignal til blandingsstyreren 56 via kontrolledningen 64, hvilket inngangssignal har som formål å redusere forskjellen mellom trykksignalet fra trykkmåleren 27 og signalet fra settpunktgiveren 66.

Eksperimenter har blitt utført i et rørledningssystem som omfatter en horisontal seksjon med lengde 50 m, en hellende seksjon med lengde 50 m (helnings-vinkel 2° i forhold til horisontalplanet), og en vertikal stigerørseksjon med lengde 16,2 m. Lengden til rørledningssystemet var slik at skadelig pluggdannelse fant sted. Den indre diameter av seksjonene var 0,05 m. Ved toppen av stigerøret, som er nedstrømsenden av rørledningssystemet, var det anordnet en separator. En luft/vann-fluidblanding hvor vannet inneholdt 20 vekt% monoetylenglykol, ble pumpet gjennom rørledningssystemet, hvorved overflategasshastigheten og overflatevæskehastigheten ved oppstrømsenden av rørledningen var henholdsvis 0,215 m/s og 0,184 m/s. Settpunkttrykket for trykkstyrerene 40 og 62 var 3 bar, settpunktnivået for nivåstyreren 32 var 50 % av det indre volum i gass/væskeseparatoren 9.

Resultatene av disse eksperimenter er vist på Fig. 3 som viser væskeinnholdet i pluggoppfangingsseparatoren som funksjon av tiden, idet det benyttes en konstant nedtappingshastighet for pluggoppfangingsseparatoren. Kontrollvariablen ble valgt å være væskestrømmengden (linje a) og fluidstrømmengden (linje b), idet den siste er summen av væskestrømmengden og gasstrømmengden. For det tilfelle hvor kontrollvariabelen var væskestrømmen (linje a), ble blandingsstyreren 56 benyttet, hvorved kontrolledningen 58 ble frakoblet slik at fluidstrømsignalet i kontrolledningen 59 var identisk med væskestrømsignalet i kontrolledningen 60. Fluidstrømmen var i form av den skadelige væskepluggstrøm frem til tidspunktet t = 450 s, ved hvilket tidspunkt kontrollsystemet 30 ble skrudd på. Som et resultat av væskepluggstrømningen viste væskeinnholdet i pluggoppfangingsseparatoren sterke oscillasjoner før tidspunktet t = 450 s, hvoretter oscillasjonene raskt ble dempet etter at kontrollsystemet 30 ble skrudd på. Slik det klart fremgår av Fig. 3, ble det funnet at når kontrollvariabelen var væske-strømmengden (linje a), gjensto en liten oscillasjon av væskeinnholdet i separatoren sammenlignet med situasjonen når kontrollvariabelen var fluidstrømmengden (linje b). Imidlertid var en slik gjenværende oscillasjon neglisjerbar sammenlignet med den sterke oscillasjon under væskepluggstrømning.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å hindre vekst av væskeplugger i en strøm av flerfasefluid som strømmer fra en rørledning (1) inn i en gass/væskeseparator (9), hvor gass/væskeseparatoren (9) har et væskeutløp (13) som er forsynt med en styreanordning for væskestrøm (15), og et gassutløp (14) som er forsynt med en styreanordning for gasstrøm (16), idet fremgangsmåten omfatter de trinn

- å måle væskenivået i separatoren, og - å måle minst én kontrollvariabel valgt blant væskestrømningshastigheten i væskeutløpet (13), gasstrømningshastigheten i gassutløpet (14), summen av væskestrømningshastigheten i væskeutløpet (13) og gasstrømningshastigheten i gassutløpet (14), og fluidtrykket ved eller nær separatoren (9), karakterisert ved at den videre omfatter det trinn - å operere kontrollanordningen for væskestrømningshastigheten (15) og kontrollanordningen for gasstrømningshastigheten (16) i det vesentlige på grunnlag av de nevnte målinger, slik at forskjellen mellom væskenivået og en valgt referanseverdi for væskenivået reduseres, og slik at forskjellen mellom kontrollvariabelen og en valgt referanseverdi for kontrollvariabelen reduseres.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at styreanordningen for væskestrømningshastighet (15) opereres slik at forskjellen mellom væskenivået og den valgte referanseverdi for væskenivået reduseres, og styreanordningen for gasstrømningshastighet (16) opereres slik at forskjellen mellom kontrollvariabelen og referanseverdien for kontrollvariabelen reduseres.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at kontrollvariabelen under en oppstartperiode av fremgangsmåten, når en væskeplugg har kommet inn i en stigerørseksjon (7) i rørledningen (1) og før væskepluggen går inn i separatoren (9), velges å være fluidtrykket ved eller nær separatoren (9).

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at kontrollvariabelen under oppstartperioden, etter at væskepluggen har begynt å strømme inn i separatoren (9), velges å være væskestrøm-ningshastigheten i væskeutløpet fra separatoren.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at kontrollvariabelen velges å være væskestrømnings-hastigheten i væskeutløpet (13) fra separatoren (9).

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at kontrollvariabelen velges å være summen av væskestrøm-ningshastigheten i væskeutløpet (13) og gasstrømningshastigheten i gassutløpet (14).

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5 eller 6, karakterisert ved at referanseverdien av kontrollvariabelen genereres ved å redusere forskjellen mellom fluidtrykket ved eller nær separatoren (9) og en valgt referanseverdi for fluidtrykket.

8. System for å hindre vekst av væskeplugger i en strøm av flerfasefluid som strømmer fra en rørledning (1) inn i en gass/væskeseparator (9), hvor gass/væske-separatoren (9) har et væskeutløp (13) som er forsynt med en styreanordning for væskestrømningshastighet (15), og et gassutløp (14) som er forsynt med en styreanordning for gasstrømningshastighet (16), idet systemet omfatter - en anordning (25) for å måle væskenivået i separatoren, - anordninger (19, 17, 27) for å måle minst én kontrollvariabel valgt blant væskestrømningshastigheten i væskeutløpet, gasstrømningshastigheten i gassutløpet, summen av væskestrømningshastigheten i væskeutløpet og gasstrømningshastigheten i gassutløpet, og fluidtrykket ved eller nær separatoren, karakterisert ved at det videre omfatter - en anordning (30) for å operere styreanordningen for væskestrømningshastigheten og styreanordningen (16) for gasstrømningshastigheten i det vesentlige på grunnlag av utgangssignalene fra måleanordningene (19, 17,25,27), slik at forskjellen mellom væskenivået og en valgt referanseverdi av væskenivået reduseres, og slik at forskjellen mellom kontrollvariabelen og en valgt referanseverdi av kontrollvariabelen reduseres.

9. System ifølge krav 8, karakterisert ved at separatoren (9) danner en førstetrinnsseparator, og at gassutløpet og væskeutløpet fra førstetrinnsseparatoren munner ut i en andretrinnsseparator som danner en pluggoppfangingsseparator.

10. System ifølge krav 8 eller 9, karakterisert ved at rørledningen (1) omfatter en oppadhellende seksjon (7) som munner ut i gass/væskeseparatoren.