NO317861B1 - Fremgangsmåte for fjerning av vann fra gass produsert fra en undervanns brønn og anordning til utførelse av samme. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler en fremgangsmåte for fjerning av vann fra en undervanns gasstrøm ved hjelp av kjøling. Oppfinnelsen omhandler også og en anordning til utførelse av fremgangsmåten som omfatter en varmeveksler med et innløp forbundet med en undersjøisk gassbrønn og et utløp som er forbundet med innløpet til en separator.

Naturgass som produseres fra en undervannsbrønn inneholder vann. Dette vannet opptrer enten som metningsvann eller produsert vann, der metningsvannet er i dampfase ved reservoar trykk og temperatur mens produsert vann er vann fra vannsonen under gass reservoaret og i væske fase. Metningsvann vil alltid være tilstede i produsert naturgass mens produsert vann er mere reservoaravhengig.

Når trykket og temperaturen synker i gassen grunnet transporten fra reservoaret, opp brønnen og videre langs sjøbunnen gjennom rørledningen kondenseres metningsvannet ut. Dette vannet kan medføre dannelsen av hydrater som kan resultere i en reduksjon av transportledningens kapasitet og i verste fall full gjengroing og blokkering om ikke gass strømmen blir tilsatt kjølevæske eller temperaturen opprettholdt over dannelsestemperaturen for hydrater. På grunn av det høye gasstrykket i brønnstrømmen kan dannelsen av hydrat starte ved temperaturer langt over vannets frysepunkt (opp til 25° C).

Mange gassbrønner er imidlertid installert på havbunnen, langt fra land. Når gass strømmer ut fra en undervanns brønn synker temperaturen raskt ned til punktet hvor hydrater dannes, spesielt i områder med kaldt klima eller på store havdyp.

Det kondenserte metningsvannet vil felles ut i transportledningen. Da transportledningen befinner seg på havbunnen vil den ha naturlige buktninger og vann vil samle seg på de laveste steder. Etter som mer og mer vann samler seg far man etterhvert dannelser av vannlåser i rørledningen. Dette medfører igjen en trykkoppbygging foran vannlåsen til trykket blir så stort at vannet presses videre gjennom rørledningen. Det er ikke uvanlig at det i perioder kan komme store vannmengder til landstasjonen. Disse vannmengdene medfører installasjon av utstyr (slugcatchere) som har til hensikt å ta imot vannmengden og sikre at vannet ikke kommer inn i prosess systemet på land eller til havs.

Et ytterligere problem er at det lett dannes korrosive stoffer. Eksempelvis kan vann (H2O) og karbondioksid (CO2) kombinere til dannelse av karbolsyre (H2CO4). Denne er sterkt korrosiv og transportledninger må derfor bygges av et materiale som bedre motstår korrosjon noe som gjør rørledningen dyrere.

For å unngå hydratdannelse i gassen er det utviklet flere metoder. En metode er å isolere de rør og annet som gassen strømmer igjennom for å unngå at temperaturen synker under det kritiske punkt. Dette er imidlertid kostbart, spesielt når transportavstanden blir flere hundre kilometer.

En annen, og den i dag vanligst brukte metode går ut på å tilsette en hydrat inhibitor. Dette er vanligvis metanol, eller monoetylenglykol (MEG). Mengden inhibitor som må tilsettes er proporsjonal med mengden kondensert pluss produsert vann. Ved høyt vanninnhold kan man se at det fort må tilsettes en mengde inhibitor som er så stor at det fordrer en stor infrastruktur med tanker, tilførselsledninger osv. Typisk er at for mange undervanns brønner er mengden inhibitor så stor at en egen separat rørledning for inhibitor må legges ut til feltet. Inhibitoren må også fjernes fra gassen eller kondensatet før videre behandling på mottaksstasjonen, noe som også fordrer kostbart utstyr.

Når en blanding av gass og fluid nedkjøles, dvs at temperaturen i gassen senkes til det punkt der fluidet kondenseres ut av gassen, kan gassen og fluidet lettere skilles fra hverandre. Denne metoden er mye brukt i landbaserte anlegg for å skille ut vannet som befinner seg i den produserte naturgass og ofte sammen med kjemisk behandling (se nedenfor). Utstyret er imidlertid svært komplisert og kostbart, spesielt fordi det i slike anlegg er ønskelig å fjerne 100 % av vannet da gassen skal være av såkalt "eksportkvalitet".

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt et utstyr for plassering på havbunnen som er enkelt og kan virke autonomt. Ved et slikt anlegg vil det ikke være mulig å fjerne alt vannet fra brønnstrømmen. Avhengig av gassens trykk og temperatur i utgangspunktet kan man få kondensert ut opptil 90 % av metningsvannet i tillegg til produsert vann. Selv om en slik reduksjon ikke er tilstrekkelig til å fa ut alt vannet og gassen dermed må viderebehandles i det landbaserte anlegg, vil en slik reduksjon medføre store besparelser ved at mengden inhibitor kan reduseres. Dette gir igjen besparelser på tilførselsledninger for slike inhibitorer samt besparelser i transportrørledningen for gass, både fordi denne nå kan gjøres av et rimeligere materiale og fordi det vil redusere væskemengden i transportledningen dvs mindre diameter. Fjerning av vann og reduksjon i bruken av inhibitor vil også redusere væskemengden i transportledningen og dermed redusere kravene til ledningen og systemet rundt (slugcatcher). Besparelsen kan komme opp i store beløp dersom feltet befinner seg langt fra land.

Dette vil også kunne gi store besparelser ved behandlingsanlegget på land. Før gassen kan videreføres må den behandles for å fjerne alt vannet. I en landbasert stasjon gjøres dette ved å tilsette et vannabsorberende fluid, såsom en alkohol, eksempelvis en polyhydrisk alkohol. Dette er en komplisert prosess, men er foretrukket på landbaserte brønner og i anlegg der en slik prosess kan overvåkes og kontrolleres. Det vannabsorberende fluid må deretter skilles ut fra gassen for gjenbruk. Dette fordrer mye dyr infrastruktur på landstasjonen og en reduksjon i størrelsen av slikt utstyr kan gi store besparelser

En nedkjøling av gassen er også ønskelig fordi dette kan gjøres uten å måtte redusere trykket i gassen. Bibeholdelse av høyt trykk i gassen bidrar til å redusere transportomkostningene, dvs unngå eller redusere bruken av pumper i systemet.

Det er også ønskelig å kjøle ned gassen på feltet av andre årsaker. En nedkjøling av gassen vil redusere nødvendig kraftmengde til en undervanns gasskompressor for å gi en gitt trykkøkning. En nedkjøling gjør det også mulig å sirkulere rundt kompressoren uten at temperaturen øker kontinuerlig under sirkuleringen. En nedkjøling og utskilling av vann vil også bedre effekten til en undervanns kompressor da designet av denne ikke i tilsvarende grad må ta hensyn til vann dråper.

US patentskrift nr. 5 351 756 omhandler en prosess for behandling og transport av naturgass fra en gassbrønn. Ifølge dette blir et additivt fluid, så som en hydratinhibitor, tilsatt gassen i en kontaktsone i brønnen før gassen transporteres til et anlegg på land. I anlegget på land blir gassen nedkjølt i en varmeveksler slik at vannet kondenserer ut deretter blir vannet skilt fra gassen i et separatortrinn. Oet additive fluids egenskaper gjør at det vil medfølge vannfasen under separasjonen. Vannfasen (inkludert additiv) transporteres tilbake til brønnen for reinjisering. Ved at det additive fluid har et kokepunkt lavere enn vannets kokepunkt skal det i teorien kunne gå over til gass i nevnte kontaktsone i brønnen (hvor temperaturen er høy) og dermed blande seg med produsert gass fra brønnen. Dette gjør at additivene kan gjenbrukes uten å

gjennomgå et særskilt separasjonstrinn. Vannet kan reinjiseres tilbake i formasjonen.

Ulempen ved denne løsning er at den er komplisert idet den fordrer og er avhengig av de fysiske parametere i brønnen. Den løser imidlertid ingen av de problemene beskrevet ovenfor, dvs. mengden transportert vann sammen med gassen til land, og kostnaden forbundet med reinjisering av fraskilt vann. Den vil dermed gi høye transportkostnader. Anlegget på land er for øvrig av konvensjonell type.

Som nevnt ovenfor er det vanlig kjent å benytte varmevekslere i forbindelse med prosessering av hydrokarboner på land. Det er også kjent å lokalisere varmevekslere på havbunnen, som vist i US patentskrift nr. 6 338 381 men dette er i hovedsak tenkt benyttet til varmetransport og ikke for utskilling av vann.

Det eksisterer således et behov for utstyr som kan kjøle ned gassen under bibehold av trykk for å skille ut i det minste en del av metningsvannet og som kan plasseres på havbunnen i nærheten av brønnen(e). Ved at vannet deretter separeres fra gassen gjør at størrelsen på gasstransportrøret kan reduseres, mengden inhibitor kan reduseres og avstanden det fraskilte vann må transporteres også kan gjøres mindre, hvis det injiseres i en nærliggende brønn.

Ifølge foreliggende oppfinnelse oppnås dette ved å transportere gassen til en varmeveksler anordnet på havbunnen i nærheten av brønnen, å avkjøle gassen ved hjelp av sjøvann som tilveiebringes lokalt og bringes til å strømme motstrøms gassen i varmeveksleren, under bibehold av trykk, slik at vann som er i metning i gassen kondenseres ut, å føre gassen samt fritt vann til en separator på havbunnen for fraskilling av vannet fra gassen, å lede gassen til en transportrørledning, og å lede fraskilt vann til en injeksjonsbrønn.

I en foretrukket utførelse av fremgangsmåten måles mengden fraskilt vann slik at mengden vann som produseres av brønnen kan bestemmes.

Oppfinnelsen omfatter også en anordning til utførelse av fremgangsmåten hvor varmeveksleren er et skrått liggende langstrakt rør anordnet på havbunnen i nærheten av brønnen, at rørets innløp for brønnstrømmen er plassert høyere enn utløpet for gassen og vannet, og at kjølemediet er lokalt tilveiebrakt sjøvann som bringes til å sirkulere motstrøms brønnstrømmen idet sjøvanninnløpet er plassert lavere enn innløpet for brønnstrømmen.

Det utskilte vann kan fordelaktig injiseres tilbake inn i formasjonen eller i en egen deponeringssone.

Oppfinnelsen skal nærmere beskrives i det følgende, med henvisning til de medfølgende tegninger hvor:

Fig. 1 er en skjematisk tegning over et anlegg på havbunnen,

Fig. 2 er en tegning som viser en alternativ utførelsesform.

Brønner 1,2 strekker seg fra havbunnen og ned i en gassproduserende formasjon. Brønnene er på vanlig måte komplettert med hvert sitt ventiltre 3,4 som stikker opp fra havbunnen. Ventiltrærne omfatter ventiler (vist med symbol på tegningen) som regulerer strømningen fra brønnens produksjonsutløp 5,6. Trykkreduserende ventiler 7, 8 kan om ønskelig være anordnet i produksjonsutløpene for å utligne trykket når flere brønner er koblet til en felles transportledning 9 som vist på tegningen.

Det skal forstås at de to brønner er kun ment som et eksempel idet systemet kan omfatte fra en til mange brønner hvis produksjonsutløp er koblet sammen med en felles transportledning.

Transportledningen 9 strekker seg mellom brønnene og til et innløp 11 av en beholder 12. Beholderen 12 har form av et langstrakt sylindrisk legeme som er plassert skråttstillende i forhold til horisontalen. Beholderen 12 har et andre innløp 13 for kjølemiddel samt et første utløp 14 for en blanding av kondensert vann og gass, og et andre utløp 23 for kjølemedium. Nevnte andre innløp 13 samt utløpet 14 er fortrinnsvis anordnet på eller ved beholderens andre ende og således nær dens laveste punkt. Innløpet 11 samt utløpet 23 er anordnet nær hverandre og befinner seg på eller ved beholderens høyeste punkt. Innløpet 13 og utløpet 14 er tilsvarende anordnet nær hverandre og befinner seg på eller ved beholderens laveste punkt. Innløpet 13 og utløpet 23 er strømningsmessig forbundet med hverandre. Tilsvarende er innløpet 11 og utløpet 14 strømningsmessig forbundet med hverandre.

En ledning 25 forbinder innløpet 13 av beholderen med en pumpe 26. Pumpen har et innløp 28 med et filter 27 for filtrering av sjøvann.

En ledning 15 forbinder utløpet 14 av beholderen med et innløp 16 til en separator 17 som er en vertikalt stående sylindrisk tank. Tanken har et utløp 18 ved sin nedre ende og et utløp 19 ved sin øvre ende. Utløpet 18 står i forbindelse med en ledning 20. En pumpe 21 er anordnet i ledningen. Ledningen 20 forløper til en vanninjeksjonsbrønn (ikke vist) eller annet deponi for forurenset vann. Utløpet 19 står i forbindelse med en ledning 22 for fraskilt gass som forløper til et fjerntliggende sted, eksempelvis en landstasjon.

En ledning 24 for tilførsel av et hydratinhiberende fluid er fordelaktig anordnet i transportrørledningen 22 nær utløpet 19.

Under bruk bringes gassen fra brønnene til å strømme gjennom rørledningen 9 og gjennom beholderen 12. Samtidig kjøres pumpen 26 for å pumpe kaldt sjøvann i motsatt retning. Dette vil kjøle ned gassen slik at vannet kondenseres ut av gassen. Strømmen vil nå inneholde en blanding av gass og vann i to separate faser. Gass/væskeblandingen føres videre gjennom ledningen 15 og inn i tanken 17. Tanken 17 virker som en gravitasjonsseparator hvor væskefasen separeres ut fra gassfasen. Væskefasen, dvs vannet samt eventuelle kondenserte hydrokarboner tappes ut fra bunnen av beholderen og ril rørledningen 20. Gassfasen tappes ut fra toppen av beholderen og til transportledningen 22.

Brønnstrømmen kan føres gjennom beholderen 12 gjennom ett eller flere høytrykksrør. Disse kan være anordnet som en serie parallelle rør, men i en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er røret et eneste rør som er lagt i spiralform inne i beholderen. Det kalde sjøvannet pumpes oppover mot brønnstrømmen og kjøler dermed ned brønnfluidene. Det er veldig viktig å ha en så stor overflate av rør eksponert mot det kalde vannet som mulig, slik at det oppnås en mest mulig effektiv kjøling.

For å redusere lengden av beholderen kan den deles opp i mindre deler anordnet over hverandre, hvor de respektive gass/sjøvann suksessivt strømmer fra den ene til den andre.

Det er ønskelig å ha et jevnt fall for brønnfluidene i beholderen. I tilfelle av en nedstengning av brønnen vil vannet renne ned til den nedre enden og ikke samle seg i lommer i beholderen.

Det er også mulig å anordne innløpet for sjøvann i midten av beholderen og la sjøvannet strømme i begge retninger. Dette vil gi en motstrøm i øvre del av beholderen og en medstrøm i den andre. Et slikt arrangement kan være gunstig for å unngå for stor oppvarming av sjøvannet ved nedstengning av brønnen.

Effektiviteten av kjølingen kan kontrolleres ved hjelp av temperatursensorer anordnet i beholderen, fortrinnsvis ved utløpet. Den kan igjen knyttes til en kontroUanordning for å justere gjennomstrømningen for riktig kjøling. Kjølingen kan reguleres ved å justere pumpen eller benytte en regulerbar ventil i innløpet for sjøvann slik at mengden sjøvann justeres.

Som vist på figuren vil det hydratinhiberende fluid normalt tilsettes gassen på eller ved ventiltreet (stiplede linjer 29). Ved foreliggende oppfinnelse er det foretrukket at injiseringen av hydratinhibitor gjøres ved gassutløpet 19 av tanken 17. Dette gjør tilførselssystemet enklere idet det ikke lenger er nødvendig med separate ledninger til hver brønn. For å unngå nedkjøling mellom de enkelte brønner og beholderen 12 kan rørledningen 9 utstyres med termisk isolasjon.

Om ønskelig kan beholderen 12 elimineres og rørsystemet i stedet anordnes i tanken 17. Dermed kan sjøvann sirkuleres gjennom tanken, tilsvarende en radiator. Når gassen kjøles ned vil vannet på samme måte som tidligere beskrevet felles ut og samle seg i bunnen av tanken slik at det kan tappes ut derfra.

I en alternativ utførelse av oppfinnelsen vist på fig. 2 kan rørledningen 9, beholderen 12 og tanken 17 utelates og det i stedet er anordnet et sylindrisk rør 29 som strekker seg fra brønnen(e) og bortover havbunnen. Røret utstyres med finner eller kjøleribber

28. På tegningen er som et eksempel vist kun tre kjøleelementer idet det skal forstås at røret kan ha et stort antall slike elementer. Røret er fortrinnsvis anordnet slik at den ligger i en svak skrånende helling med innløpet i den øvre ende. Når gassen etterhvert avkjøles idet den strømmer gjennom røret vil vannet kondenseres ut og samle seg langs bunnen av røret. Vannet og gassen kan dermed hver for seg tappes ut fra enden av røret. Dette forutsetter imidlertid at det kan etableres en laminær strømning i røret.

Ved denne utførelse kan kjøleribbene i tillegg utnyttes til å produsere elektrisk kraft ved hjelp av en termoelektrisk generator. Kraften kan benyttes til å lade ett eller flere batteri. Batteriet kan igjen benyttes til å gi kraft til sensorer eventuelt også til å operere ventilene i prosessystemet. En slik termoelektrisk generator er beskrevet i GB allment tilgjengelig patentsøknad nr. 2 140 206. Det kan derved oppnås et helt autonomt system som ikke har behov for ekstern tilførsel av kraft. Systemet kan overvåkes fra et fjerntliggende sted ved hjelp av akustisk kommunikasjon.

Som nevnt består vannet fra brønnen både av vann som er i mettet form i gassen og vann som produseres sammen med gassen. Ved normal produksjon synker trykket i reservoaret gradvis og etter hvert vil vann, som befinner seg under gassen, stige opp å strømme inn i produksjonsrøret. Denne fasen er svært vanskelig å forutse og som man kan forstå, vil en økning i vannmengden over kort tidsrom medføre at mengden inhibitor blir for liten, med hydratdannelser som resultat. Det er også ønskelig å overvåke brønnene for vanninnhold fordi brønner som begynner å produsere mye vann ønsker man å stenge for å unngå å ødelegge reservoaret.

Selv om de fleste brønner er utstyrt med strømningsmålere, er det svært vanskelig å fastslå om strømmen er vann eller gass. Ved oppfinnelsen kan derimot en strømningsmåler plasseres i ledningen 20, dvs nedstrøms fra tanken 17. En målt økning i strømningsmengden vil indikere at en av brønnene har begynt å produsere mere vann. Man kan da enkelt finne ut hvilken brønn det er ved å nedstenge brønnene sekvensielt og ta målinger for hver nedstengning.

Claims (8)

1. Fremgangsmåte for fjerning av vann fra gass produsert fra en undervanns brønn karakterisert ved følgende trekk: - å transportere gassen til en varmeveksler (12) anordnet på havbunnen i nærheten av brønnen, - å avkjøle gassen ved hjelp av sjøvann som tilveiebringes lokalt og bringes til å strømme motstrøms gassen i varmeveksleren, under bibehold av trykk, slik at vann som er i metning i gassen kondenseres ut, - å føre gassen samt fritt vann til en separator (17) på havbunnen for fraskilling av vannet fra gassen, - å lede gassen til en transportrørledning (22), og - å lede fraskilt vann til en injeksjonsbrønn.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at mengden fraskilt vann måles.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at et hydratinhiberende middel tilføres gassen (ved 24) før den føres til transportrørledningen (22).

4. Anordning til utførelse av fremgangsmåten som angitt i krav 1-3, omfattende en varmeveksler (12) med et innløp (11) forbundet med en undersjøisk gassbrønn og et utløp (14) som er forbundet med innløpet (16) til en separator (17), karakterisert ved at varmeveksleren er et skrått liggende langstrakt rør (12; 29) anordnet på havbunnen i nærheten av brønnen, at rørets innløp (11) for brønnstrømmen er plassert høyere enn utløpet (14) for gassen og utkondensert vann, og at kjølemediet er lokalt tilveiebrakt sjøvann som bringes til å sirkulere motstrøms brønnstrømmen idet sjøvanninnløpet (13) er plassert lavere enn innløpet (11) for brønnstrømmen.

5. Anordning som angitt i krav4, karakterisert ved at separatoren (17) omfatter et innløp (16) som er forbundet med varmevekslerens utløp (14) idet separatoren er innrettet til å separere det i varmeveksleren utkondenserte vannet fra gassen.

6. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at separatoren (17) omfatter et utløp (19) for gassen, hvilket utløp er forbundet med en transportrørledning (22) som fører til et mottaksanlegg på land.

7. Anordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at separatoren (17) omfatter et utløp (18) for det fraskilte vannet, hvilket utløp er forbundet med en rørledning (20) som fører til en injeksjonsbrønn.

8. Anordning som angitt i krav 7, karakterisert ved at det i rørledningen (20) er anordnet en strømningsmåler.