NO319600B1 - Undervannspumpesystem og fremgangsmate til pumping av fluid fra en bronn - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører et undervannspumpesystem forbundet med et brønnhode og tilhørende fremgangsmåte for å pumpe en effluent fra en brønn på sjøbunnen, omfattende en nedsenket pumpe tilkoblet til brønnhodet for å pumpe effluent ved et forhåndsbestemt pumpetrykk, en nedsenket, innkapslet elektrisk motorenhet for å drive pumpen, og enkel-mediumanordninger for å tilføre et enkel-rmediumfluid til den nedsenkete pumpen og til den nedsenkete, innkapslete elektromotoren for kjøling og smøring av pumpeenheten og den innkapslete elektromotoren.

Ettersom brønnreservoarer på grunne havdyp ved offshore olje- og gassproduksjon tappes,- ér det eh økende interesse fra flere nasjoner og/eller selskaper i offshore dypvanns olje- og gassreservoarer hvor flerfase undervannspumpesystemer anvendes til utvinning og pumping ay oljen og/eller gassen fra disse reservoarene.

Et flerfase undervannspumpesystem transporterer en flerfase-effluent, som vanligvis består av en blanding av olje, gass og vann, fra en undervannspumpestasjon over en lengre distanse gjennom en rørledning til et fjerntliggende prosessanlegg hvor flerfase-effluenten separeres til individuelle fluidumkomponenter før den videre'.behandling. Dette prosessanlegget kan være på en plattform som flyter på overflaten eller et anlegg på land.

På verdensbasis utvikles for tiden flere forskjellige typer flerfase-undervannspumpesystemer og hver type flerfase-undervannspumpesystem omfatter de .samme grunnkomponen-ter, som er: en flerfasepumpe, et drivverk for flerfasepumpen, et kraftoverføringssystem, et kontrollsystem, $t .trykkutjevnings- og vedlikeholdssystem, og ekstra smøre og kjølekretser for flerfasepumpe- og drivverkenhetene. Et flerfase-undervannspumpesystem omfattes vanligvis av en eller flere av disse grunnkomponentene som monteres på et fundament og så senkes og deretter installeres på et under-vannstre hvor de tilkobles et dypvannsbrønnhode.

Pumpetyper som anvendes i dag i flerfase-pumpesystemer er enten en sentrifugalpumpe eller en fortrengningspumpe ettersom disse pumpetypene vanligvis er i stand til å håndtere effluenter med mere enn en fase. På større havdyp er den sistnevnte pumpetypen foretrukket brukt fordi den er mindre følsom for tetthet og derfor mindre følsom for trykkvariasjoner i flerfase-effluenten som pumpes. Likevel må flerfase-undervannspumpen vedlikeholdes for å opprettholde eller å øke produksjonsraten av flerfase-effluenten uavhengig av om bønntrykket er høyt eller lavt.

Drivverket for flerfasepumpen kan være en hydraulisk turbin eller en elektrisk motor med regulerbar hastighet, hvor sistnevnte har vist seg å ha et mer rasjonelt kraftforbruk, er mer anvendelig i bruk, og mindre følsom for av-standen til kraftkilden.

For å drive en hydraulisk turbin anvendes det enten trykksatt vann eller olje. Systemet for det trykksatte vannet eller oljen plasseres på plattformen som flyter på overflaten, og flere tilførselsledninger forbinder dette trykksatte systemet med undervannsenheten. I tillegg anvendes et sperrefluidumsystem, som i hovedsak er forskjellig fra prosess og turbinfluidumene, for kjøling og smøring av lagrene i flerfasepumpe/drivverkenheten og for;å kompensere for trykkforskjellene i systemet. Sperrefluidumet sendes til plattformen som flyter på overflaten hvor den kjøles og så returneres til undervannsenheten, og videreføres også fra plattformen ved et trykk større enn prosessfluidumets trykk slik at en eventuell lekkasje som oppstår vil være av sperrefluidum enten til sjøen eller gjennom de mekaniske tetningene til prosessfluidumet.

Dersom trykksatt vann anvendes til å drive en hydraulisk turbin kan akseltetningen mellom turbinen og flerfasepumpen fjernes, noe som tillater at vannet i turbinen kan lekke gjennom åpningen i akselens trangpasning i akselled-ningen mellom turbinen og flerfasepumpen og inn i produk-sjons- eller,prosessfluidumet som, slik det er forklart tidligere, er flerfase-effluenten som pumpes. Ved denne an-vendelsen kan sperrefluidumet også være vann som sirkulerer gjennom flerfasepumpen og gjennom turbinhuset. Trykkompen-sasjonen oppstår ved at sperrefluidumlekkasjen fra turbinen lekker inn i flerfasepumpen og inn i prosess- eller produk-sjonsfluidumet i pumpen og til slutt inn i sjøvannet. Sperrefluidumet sørger i realiteten for et mottrykk på smøresiden av tetningene for å sikre at overføringen er til prosessfluidumet eller til turbinfluidumets side av tetningene.

Hvis olje anvendes til å drive den hydrauliske turbinen, anvendes tetninger for å separere rommet for turbin-fluidumet fra det til flerfase-effluenten som pumpes. Vanligvis anvendes det også olje som sperrefluidum for kjøling og smøring av lagrene i flerfasepumpe/drivverkenheten og for korrigering av de varierende trykkene i inntaket til flerfasepumpen. Selv om sperrefluidumet er samsvarende med både fluidumet i turbinen og flerfase-effluenten som pumpes, er en av ulempene med dette systemet at små mengder av olje har lett for å lekke ut i det omliggende sjøvannet og skaper derved et miljøproblem.

Selv om hydraulisk turbiners flerfasepumpesystemer av enkelte betraktes som mekanisk og hydraulisk enkle i konstruksjon og enkle å vedlikeholde, er det nødvendig for oversideutstyret (toppside) for disse pumpesystemene av denne typen å støtte omfattende systemer for kraftkilden, hydraulikkilden, og sperrefluidumsystemet.

Problemet med dette utstyret er at deres kraftforbruk øker dramatisk med økende trykktap når tilførselsledning-enes lengde øker. På grunn av økende dyp for undervanns-installasjoner og plassering lengre borte fra plattformen som flyter på overflaten, øker det hydrauliske lednings-tapet for den hydraulisk turbindrevne flerfasepumpen. Generelt, med økende lengde til energikilden fra undervannsinstallasjonen, desto mer komplisert blir resirkulasjons-røret i tilførselsledningene og derfor er det også dyrere å anvende denne type hjelpesystem for utvinning av en flerfase-effluent fra dypyannsbrønner.

Noen systemdesignere har erkjent at for dypere brønner sørger nedsenkete motorer for et bedre økonomisk alternativ enn den hydraulisk turbindrevne. I et slikt system har en nedsenkbar elektropumpemotor sin motor, og ved noen anven-delser, en transformator plassert på undervannsinstallasjonen. Motor/pumpeenheten kan begge være oljekjølte, eller motoren kan være vannkjølt og pumpen kan være oljekjølt. I det første systemet hvor oljen er det eneste smøre- og kjølemiddelet, opprettholder også oljesystemet trykket i systemet for å hindre tilbakestrømning av fluidum fra fluidumet som pumpes, og oljen transporteres til en luft-kjølt kjøleenhet på plattformen som flyter på overflaten. Selv om dette systemet er av de enkle elektrisk drevne systemer, trenger det tilførsels- og returledninger som re-sirkulerer kjølemiddelet til kjøleenheten på plattformen som flyter på overflaten og tilbake til undervannsinstallasjonen.

I det andre systemet hvor motoren er vannkjølt og pumpen er oljekjølt, er det en o.ljekjølekrets for flerfasepumpens lagre og tetninger, og en vann-glykol krets for den nedsenkete elektriske motorens lagre og tetninger. Aksel-tetningslekkasjen fra hver smørekrets renner inn i et rom mellom motoren og pumpen som rommer koblingen for motoren og pumpen. Olje og vann-glykol blandingen samles opp i en avrenningstank. Vann-glykol og oljeoppløsningen pumpes periodisk til plattformen som flyter på overflaten hvor de separeres og gjenvinnes tilbake til sine respektive under-vannsforsyningstanker. Hver av forsyningstankene har en blæretypemembran som står i forbindelse med oljeforsynings-tanken, som til gjengjeld står i forbindelse med pumpesuget og som derfor regulerer trykket i de andre tankene, og som resulterer i at alle tre tanktrykkene utjevnes til pumpesugetrykket under alle stadier av driften av systemet uavhengig av det ytre trykket og vanndybden. En undervanns-varmeveksler for oljen og en undervanns-varmeveksler for vann-glykolet overfører varmeinnholdet til det omliggende vannet, og hjelpeimpellere tilkoblet hoveddrivorganet (drivkjeden) sirkulerer de to kjølefluidumene gjennom motoren og pumpen når motoren kjører. Tilførselsforbindel-sen mellom undervannsinstallasjonen og plattformen som flyter på overflaten omfatter en trefaset elektrisk tilfør-selsledning, en etterfyllingsoljeledning til oljefor-syningstanken, en etterfyllingsvann-glykolledning til vann-glykoltanken, og en avrenningsledning til en olje/vann-glykol separatorenhet, noe som resulterer i en økning i tilførselsledningens dimensjon og derfor også en kompleks konstruksjon for dette to-fluidum systemet. Fremtredende plass i dagens teknologi har vanligvis undervannsmotorer som benytter våtviklingsmotorer (wet winding) hvis viklinger kjøles direkte av det hydrauliske kjølekretsmid-delet som vanligvis er olje. En ulempe ved bruk av våt-viklingsmotoren er at den direkte kontakten mellom viklin-gene og kjølemiddelet reduserer motorens langsiktige driftssikkerhet, selv om spesial isolasjonsmateriale anvendes. Motorsvikt resulterer i betraktelige produksjonstap og økt vedlikeholdskostnader ved at for å starte produksjonen må undervannsinstallasjonen fjernes og erstattes.

For dypvannsbrønner er det en økende interesse for nedsenkete elektriske motordrevne pumper for pumping av et effluent, som kan være en flerfase-effluent. Imidlertid er disse nåværende systemkonstruksjonene kostbare og komplekse og trenger en stor grad av vedlikehold og bemanning på plattformen for å støtte arbeidsoperasjonen.

Det gjenstår derfor et behov innen teknikken for å forenkle konstruksjonen av en- eller flerfase undervannspumpesystemer, for å redusere kostnadene det innebærer ved å frembringe en- eller flerfase undervannspumpesystemer, og å frembringe en mer teknisk førsteklasses og økonomisk for-delaktig en- eller flerfasepumpesystem.

Det er i tillegg behov for å frembringe en- eller flerfase undervannspumpesystemer som i hovedsak er vedlikeholdsfri, som trenger lite eller ingen menneskelig inn-blanding under arbeidsoperasjonen, og som har en forventet økt levealder sammenlignet med dagens systemer.

Foreliggende oppfinnelse oppfyller tidligere nevnte behov. Foreliggende oppfinnelse frembringer et undervannspumpesystem som kan være en- eller .flerfase og en til-hørende fremgangsmåte for pumping av et effluent som kan være en- eller flerfase. Systemet anvender et enkelmedium-fluidum som kjølemiddel og smøremiddel og omfatter en innkapslet elektromotor, en en- eller flerfasepumpe forbundet med den kapslete elektromotoren, og en kombinert varmeveksler og trykkompensator plassert på en undervannsmodul. Foretrukket er trykkompensatoren en belganordning som reagerer lett på pumpetrykket og som sirkulerer enkelfluidum-mediumet gjennom motor/pumpeenheten for kjøling og smøring av lagrene og tetningene i motor/ pumpeenheten ved et trykk vanligvis større enn sugetrykket. En oversidemodul på en plattform som flyter på overflaten har en kraftforsyningskilde og en enkel-mediumkilde. En første tilførselsledning omfatter et sett med trefase-ledninger og forbinder kraftkilden til den kapslete elektromotoren, og en andre tilførselsledning omfatter en hydraulisk ledning og forbinder enkel-mediumkilden til den kapslete elektromotoren. Enkelmedium-fluidumet er samsvarende med effluenten som pumpes fra dypvannsbrønnen og foretrukket er dette enkel-mediumfluid olje hvis flerfase-effluenten som pumpes er flerfase og en blanding av olje, gass og vann. Foretrukket anvendes dette enkelmedium-fluidumet også i trykkompensatoren. Trykkompensatoren driver selvstyrt pumpesystemet under vann ved å justere trykket til enkelmedium-fluidumet som sirkulerer gjennom systemet til sugetrykket av pumpen og opprettholder trykket til enkelmedium-fluidumet som sirkulerer gjennom systemet ved et viss større trykk enn sugetrykket til pumpen. Den indre kjølingen og smøringen av lagrene og tetningene til motorpumpeenheten genereres av hjelpepumper som drives uavhengig av hovedmotordriften, som dermed omfatter passivt drevne hydraulisk hjelpekretser og som resulterer i en vedlikeholdsfri undervannspumpestasjon-modul. Oversidemodulen på plattformen som flyter på overflaten er ubemannet som ikke bare imøtegår, men går utover den for-ventete vedlikeholdsfrie levetiden til en pumpestasjon på en dypvannsproduksjonsbrønn. Enkelmedium-fluidumet lekker inn i effluenten i pumpen og mengden forbrukt av systemet er svært minimal, enkelmedium-fluidumet trenger derfor bare skiftes en gang i året eller så avhengig av kapasiteten til forsyningskilden på oversidemodulen.

Det er derfor et formål for foreliggende oppfinnelse å frembringe et undervannspumpesystem og en tilhørende fremgangsmåte for pumping av en effluent fra en dypvannsbrønn som er et hydraulisk tett pumpesystem som anvender et enkelmedium-fluidum som er trykksatt til pumpeinntaket av en trykkompensator som opprettholder et fullstendig fylt hydraulisk kjøle og smørekrets inni motoren og pumpeenheten.

Nærmere bestemt anvender systemet ved foreliggende oppfinnelse et enkelmedium-fluidum som kjølemiddel, smøre-middel, og som fluidum i trykkompensatoren, og er samsvarende med effluenten som pumpes.

Det er videre et formål med foreliggende oppfinnelse og frembringe et undervannspumpesystem som er enklere i konstruksjon og med et begrenset antall komponenter; som er mindre kostbart, mindre, mer kompakt, og mer effektiv enn dagens konstruksjoner; og som drives ubemannet og selvstyrt på hvilket som helst havdyp for en utvidet tidsperiode.

Det er videre også et formål til foreliggende oppfinnelse å frembringe en trykkompensator som anvender en belganordning.

Formålene i følge oppfinnelsen oppnås med et pumpesystem og fremgangsmåte som definert i henholdsvis de selvstendige krav 1 og 10. Foretrukne alternative utførelser av pumpesystemet er angitt i de uselvstendige kravene 2-9, og foretrukne alternative utførelser av fremgangsmåten er angitt i de uselvstendige kravene 11-13.

Disse og andre formål med den foreliggende oppfinnelse vil forstås fullstendig og oppfattes bedre utfra den etter-følgende beskrivelse av oppfinnelsen under henvisning til de vedlagte illustrasjoner. Figur 1 viser et perspektivriss som viser under-vannspumpesystemet ifølge den foreliggende oppfinnelse. Figur 2 viser et skjematisk tverrsnitt av undervannsmodulen ifølge den foreliggende oppfinnelse ifølge figur 1. Figur 3 viser et skjema over deler av den hydrauliske krets for det hydrauliske fluid mellom pumpen og trykkom-pensatorinnretningen for undervannsmodulen ifølge figur 1. Figur 4 viser et skjema for å illustrere komponentene i overflatemodulen og hvordan overflatemodulen er forbundet med pumpesystemets undervannsmodul ifølge figur 1.

Under henvisning til figur 1, er det her vist et undervannspumpesystem som omfatter en overflatemodul som generelt er angitt med henvisningstallet 3, en undervannsmodul generelt er angitt med henvisningstallet 5, og en navlestrengforbindelse generelt er angitt med henvisningstallet 7, og som hydraulisk og elektrisk forbinder alle overflate- og undervannskomponentene 3, 5. Overflatemodulen 3 kan være anordnet på en flytende plattform (ikke vist) som også kan bære produksjonsstasjonen. For pumpesystemet 1 ifølge figur 1 kan drifts- og vedlikeholdspersonellet være stasjonert på land eller på en vertsplattform, og pumpesystemet 1 er konstruert til å kunne drives på en ubemannet måte.

Undervannsmodulen 5 omfatter en monteringssokkel 9 som er understøttes på en brønnhodetre-konstruksjon som vanligvis hviler på havbunnen. Monteringssokkelen 9 består av et antall traktformete styrestolper som er lokalisert i dens hjørner, hvorav noen av disse er angitt med henvisningstal-lene 11, 13 og 15 som anvendes til å innstille undervannsmodulen 5 over brønnhodetre-konstruksjonen. Monteringssokkelen 9 omfatter et konstruksjonsrammeverk for fysisk å be-skytte systemet 1 ifølge figur 1 under driftsoperasjonene for å kunne installere den på optimal måte på brønnhodetre-konstruks jonen. Konstruksjonsrammeverket er slik at det av-balansert for å sikre at undervannsmodulen 5 i en stort sett horisontal innstilling kan senkes ned på sine brønn-hode-styrestolper.

Under fortsatt henvisning til figur 1, understøtter undervannsmodulens 5 monteringssokkel 9 enhetene 17 og 19. Enheten 17 rommer en motor 21 og en flerfasepumpe 23 som er innbyrdes forbundet ved hjelp av et overgangshus 25, som gir en fleksibel kobling mellom motoren 21 og pumpen 23. Enheten 19 er hydraulisk forbundet med overgangshuset 25 via en hydraulisk ledning 29.

Navlestreng-mateledningen 7 oppretter hydraulisk og elektrisk forbindelse mellom overflatemodulen 3 og undervannsmodulens 5 motor 21.

Ytterligere detaljer vedrørende de ulike komponenter i undervannsmodulen 5 skal nå forklares nærmere under henvisning til figur 2 hvor det er vist at enheten 19 rommer en varmeveksler 27 og en trykkompensator 28, idet disse hen-visningstallene fremgår av figur 1.

Under henvisning til figur 2 er motoren 21 fortrinnsvis en hastighetsregulerbar elektromotor med en høy spen-ning som ikke krever en neddykket transformator eller trinngir. Dette krav realiseres ved hjelp av en innkapslet motor av typen Westinghouse som er velkjent innenfor faget, og som er videre omtalt i US-patentskriftene 5.101.128, 5.185.545, 5.220.231, og 5.252.875. Motoren 21 velges slik at den drives i et hastighetsområde på 25% til 100% og frembringer en konstant akslingsdreiemoment. Motoren 21 omfatter hovedsakelig et hus 31, en statorkapsling 31, en innkapslet rotor 35 med en aksling 37, øvre tetnings- og lagerkonstruksjon 39, og nedre tetnings- og lagerkonstruksjon 40.

Motorens 21 aksling 37 er mekanisk tilkoplet akslingen 41 i en flerfasepumpe 23 via den fleksible koplingen 43 i overgangshuset 25 som, i sin tur, er boltet til motorens 21 hus 31 og flerfasepumpens 23 hus 45. Flerfasepumpen 23 er koplet til motoren 21 og er utvalgt for å være ideelt egnet for transporten av en flerfase-effluent som kan omfatte blandinger av olje, gass og vann. Flerfasepumpen 23 kan være en dobbelskruet pumpe, en pumpe av typen med aksialskureform, eller enhver egnet pumpe for å pumpe en flerfase-effluent med olje- og gassblandinger opp til 95% GVF (gass/volum-fraksjon) eller høyere.

Flerfasepumpen 23 omfatter en øvre tetnings- og lagerkonstruksjon 51, og en nedre tetnings- og lagerkonstruksjon 53.

De typer flerfasepumper som kan anvendes ifølge den foreliggende oppfinnelse er tilgjengelige på markedet og er velkjent for fagfolk innenfor området, og det er ikke nød-vendig med noen ytterligere beskrivelse av flerfasepumpen 23 for å oppnå en fullstendig forståelse av oppfinnelsen.

Idet det fortsatt henvises til figur 2, er en flerfasepumpe 23 tilkoplet til en ventil på en brønnhodetre-konstruks jon (ikke vist) som understøtter monteringssokkelen 9 via et sugeinnløp 47 som trekker flerfase-effluenten som pumpes ut av brønnhodet avgir det pumpede fluidum gjennom utløpet 49 hvorfra flerfase-effluenten på velkjent måte transporteres gjennom en rørledning til en produksjonssta-sjon.

Under henvisning til figur 1 og 2 leverer den hydrauliske mateledning 7 ifølge figur 1 hydraulisk fluidum, fortrinnsvis olje, inn i motorens 21 hoveddel, hvormed hjelpeimpellere (ikke vist) som er montert på motorens 21 aksling 37, på velkjent måte sirkulerer hydraulisk fluidum til den nedre tetnings- og lagerkonstruksjon 40 mellom den kapslede stator 33 og kapslede rotor 35 gjennom den nedre tetnings- og lagerkonstruksjon 39 for å kjøle og smøre disse, og inn i overgangshuset 25 hvorfra det hydrauliske fluidum deretter ledes gjennom ledningen 29 og inn i enheten 19 som rommer varmeveksleren 27 og trykkompensator inn-retningen 28. Når det hydrauliske fluidum pumpes gjennom motoren 21 ledes også igjennom tetnings- og lagerkonstruksjonene 51 og 53 i flerfasepumpen 23. Selv om det ikke vist på figur 2, vil et system av hydraulisk fluidumledende ledninger vist med pilene 59,61 og 63 levere det hydrauliske fluidum som ledes inn i motoren 21 fra overflatemodulen 3 ifølge figur 1 inn i flerfasepumpen 23 for å levere det hydrauliske fluidum til pumpens 23 tetnings- og lagerkonstruksjonene 51 og 53 for kjøling og smøring av disse. Et system a ledninger for avledning av hydraulisk fluidum vist med pilene 65 og 67 fremfører det hydrauliske fluidum fra flerfasepumpen 23 og inn enheten 19 sammen med det hydrauliske fluidum som passerer gjennom motoren 21 og avledes fra overgangshuset 25 via den hydrauliske ledningen 29. I enheten 19 avkjøles det hydrauliske fluidum ved hjelp av varmeveksleren 27 og anvendes av trykkompensatoren 28 til å opprettholde trykket i pumpesystemet 1, idet flere detaljer ved dette vil bli diskutert nedenfor. Hydrauliske fluidum pumpes kun gjennom motoren 21 og flerfasepumpen 23 når motoren 21 drives siden hjelpeimpellerne (ikke vist) er montert på motorakslingen 37 og derved er behovet for ekstra pumper og separate kraftkilder helt eliminert.

Ved den foreliggende oppfinnelse anvendes det fortrinnsvis et enkel-mediumfluidum, så som olje som hydraulisk fluidum for smøring og avkjøling av tetnings- og lagerkonstruksjonene 39,40 og 51, 53 i motoren 21 henholdsvis pumpen 23, siden den er forenlig med flerfase-effluenten som pumpes, og siden flerfase-effluenten omfatter en oljeblanding. Eventuelle oljelekkasjer gjennom tetnings- og lagerkonstruksjonene 39,40 og 51, 53 i motoren 21 henholdsvis pumpen 23, under kjøle- og smøreprosessen vil strømme inn i flerfasepumpen, og derved eliminere behovet for en separat lekkasjehydraulisk krets eller for separatorer som er nødvendige i pumpesystemer som arbeider med blandinger av vann, vann-glykol, olje- og gassystemer for kjøling, smøring og trykkontroll.

Ved fortsatt henvising til figur 2, sirkulerer det hydrauliske fluidum fra de indre hydrauliske kretser i pumpen 23 og motoren 21 gjennom varmeveksleren 27 som over-fører varmemengden i det hydrauliske fluidum som genereres av motoren 21 og pumpen 23 til det omgivende sjøvannet. Varmeveksleren 27 kan være en engangs-passerende eller en flergangs-passerende idet sistnevnte vil kreve en mindre mengde av olje, og derved reduseres vekten og kostnadene med undervannsdelen 5 ifølge figur 1. Typen varmeveksler vil avhenge av varemengden og av konstruksjonens tilgjengelige allokering (plass).

Under henvising til figur 3, diskutert ovenfor, så omfatter enheten 19 en trykkompensator 28. Trykkompensatoren 28 er forbundet med pumpen 23 via en suge- og trykkføler-ledning 69. Fortrinnsvis omfatter trykkompensatoren 28 en metallbelgkonstruksjon angitt med henvisningstallet 71. Metallbelgkonstruksjonen 71 omfatter et sveiset rustfritt ståldiafragma 73, springfjærer 75 og 77, og et antall blader hvorav ett er angitt med henvisningstallet 79. Spennfjærene 75,77 er forbundet med diafragmaet og er konstruert slik at metallbelgkonstruksjonen 71 kan forskyve minst 7,6 liter (2 gallons) pr. minutt av det hydrauliske fluidum til tetnings- og lagerkonstruksjonene 39, 40 og 51,53 til motoren 21 og pumpen 23, respektive. Bladene 79 er forbundet til diafragmaet 73 på motsatt side av spennfjærene 75 og 77.

Fortrinnsvis er bladene 73 vekselvis av tykt og tynt materiale, sveist sammen og fremstilt av rustfritt stål. Det tynne materialet gir belgkonstruksjonen 71 god aksial føyelighet og fleksibilitet, mens det tykke materiale gir en stivhetsgrad som kan gjøre at belgkonstruksjonen kan motstå kollaps fra det høyere eksterne trykk fra omgivel-sesmiljøet vanndybden.

Idet det fortsatt henvises til figur 3, forbinder suge/trykkledningen 69 trykket av flerfase-effluenten som pumpes ut av væskeavløpet 49 (fig. 2), med belgkonstruksjonen 71. Suge/trykkfølerledningen 69 fra pumpen 23 til belgkonstruksjonen 71 omfatter en perforert plate 81 som er lokalisert utenfor den direkte ledning av tørrstoffer som passerer gjennom pumpens sugeområde 83. Platen 81 er konstruert slik at den reduserer faren for at tørrstoffene i flerfase-effluenten som pumpes igjennom enheten 17, skal tilstoppe trykkforbindelsesledningen mellom trykkompensatoren 28 og pumpens sugeområde 83. Suge/trykk-følerledningen 69 vil kommunisere alle endringer som måtte oppstå i det statiske trykket i flerfase-effluenten som pumpes i undervannsmodulen ifølge figur 2 uten å svekke belgkonstruk-sjonens 71 funksjon, dvs. uten trykktap i belgkonstruksjonen. Når innersiden av belgkonstruksjonen 71 registrerer pumpens sugetrykk, er den eksterne side av belgkonstruksjonen 71, slik det er antydet med henvisningstallet 85, åpen mot trykket i motoren 21 og pumpen 23, og vil regulere det indre trykk i det hydrauliske fluidum i systemet for kjøling og smøring av tetnings- og lagerkonstruksjonene 39, 40 og 51,53 til motoren 21 og pumpen 23, respektive, til pumpens sugetrykk slik det skal diskuteres i det etterføl-gende .

Trykkompensatoren 28 er fortrinnsvis lokalisert så nær pumpen 23 som mulig slik at de hydrauliske forbindelsene 61,63 (figur 2) til tetnings- og lagerkonstruksjonene 51,53 er relativ korte for å forbedre responsen til belgkonstruk-sjonens motorpumpesidetrykk på de transiente endringene konstruksjonens 71 pumpesugeside.

Under henvisning til figur 4 er det der vist ytterligere detaljer i komponentene i toppside-modulen 3 ifølge figur 1. Disse komponentene omfatter en forrådstank 87 for hydraulikktilførsel, en elektrisk kraftkilde 89, et styre-system 91, og et overvåkningssystem 93. Fortrinnsvis er sy-stemene 91 og 93 lokalisert på land eller på produksjonsplattformen hvor styresystemet 91 er valgfritt og kan være knyttet opp mot utgangen til systemet 1 ifølge figur 1 på produksj onsplattformen.

Tilførselsbeholderen 87 og den elektriske kraftkilde 89 er fysisk understøttet av toppside-modulen 3 ifølge figur 1, slik det er diskutert ovenfor, navlestrengforbindelsen 7 leverer både det hydrauliske fluidum og strøm til undervannsmodulen 5, som i sin tur, er forbundet med brønntreet 95 som kun vises på figur 4. En pil antydet ved 97 representerer flerfasestrømmen fra brønnen og inn i undervannsmodulen 5, og pilen antydet ved 99 representerer flerfasestrømmen fra undervannsmodulen 5 og til plattformen (ikke vist).

Når det gjelder komponenten 89 i overflate-modulen 3 på figur 4, så er den elektriske kraftkilde fortrinnsvis en trefase drivmotor med variabel frekvens, og er elektrisk tilkoplet på velkjent måte til kraftgenereringsutrustningen lokalisert på produksjonsplattformen. Systemet for levering av olje omfattende en forrådstank 89 for hydraulisk fluidum, frembringer et konstant trykk til det undervanns flerfase pumpesystem 1, og periodisk etterfyller utrustnin-gen med hydraulikkolje i undervannsmodulen 5. I tillegg til tilførselstanken 87, omfatter forrådssystemet fortrinnsvis en stempelpumpe (ikke vist) som trykksettes av plattformens vedlikeholdspersonale for å opprettholde et konstant trykk på tilførselstankens 87 avløpsende. Dette trykket kombinert med den statiske høydeforskjell mellom plattformen og undervannsmodulen 5 frembringer et adekvat trykk i forråds-' ledningen 7 slik at undervannsmodulen 5 holdes forsynt. Innstrømningen av hydraulisk fluidum til undervannsmodulen 5 skjer derfor automatisk når den hydrauliske fluidumut-rustning i undervannsmodulen 5 faller under regulatorventi-lens trykkinnstilling Ikke vist) til undervannsmodulen 5. Fyllesyklusen forventes å repeteres ca hver tredje dag.

Fortrinnsvis rommer forrådstanken for hydraulisk fluidum ca 380 liter (100 gallons) som ved forventede lek-kas jehastigheter av hydraulisk fluidum fra pumpeakslings-tetningene og systemavlastningsventilen og inn i pumpesuge-området 83 ifølge figur 3 vil kreve erstatningspåfylling ca to ganger årlig. Denne erstatningspåfylling vil måtte gjen-nomføres av en operatør som kan være det eneste vedlike-holdet som krever inngripen fra personer i løpet av levetiden til systemet 1 ifølge figurene 1-4. Forøvrig er fler-fasepumpesystemet 1 ifølge figur 1 stort sett autonomt.

Under henvisning til figurene 1-4, så fungerer belg-konstruks jonen 71 som en trykkompensator som muliggjør at fjærene 75 og 77 lader kompensatoren for således å frembringe et positivt trykk i pumpen 23 som er høyere enn brønnhodetrykket. Trykkforskjellen hvor pumpetrykket er større enn brønnhodetrykket betegnes tetningstrykkforspenning. Fjærenes 75,77 stivhet kombinert med fortrengningen av belgene 7 gjør det mulig å utvikle et system for levering av hydraulisk fluidum fra forrådsbeholderen 87 ifølge figur 4 til motoren 21 og pumpen 23 i undervannsmodulen 5 basert på endringer i "tetningstrykkforspenningen". Når det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 er lavt i forhold til en forutsatt grense, medfører sugetrykket i følerledningen 69 at belg-konstruks jonen 71 utvides og fjærene 75,77 komprimeres hvorved tetningstrykkforspenningen kan betraktes som tregt eller lavt. Denne lave tetningstrykkforspenning anvendes i systemet til å signalisere at det hydrauliske system, via systemet av ventiler (figur 3), begynner å levere hydraulisk fluidum til tetnings- og lagerkonstruksjonene 39, 40 og 51,53 til motoren 21 og pumpen 23, respektive, inntil man når den forutsatte grense for det hydrauliske fluidum i undervannsmodulen 5. Etter hvert som motoren 21 og pumpen 23 fylles til denne forutsatte grense for det hydrauliske fluidum fra forrådstanken 87 ifølge figur 4, komprimeres belgkonstruksjonen 71 ytterligere og fjærene 75,77 strekkes. Når fjærene 75 og 77 strekkes stiger trykket i motoren 21 og pumpen 23 og det hydrauliske fluidum fortsetter å leveres inntil trykket i motoren 21 og pumpen 23 når et sett-punktstrykk over pumpesugetrykket. Denne strekkingen av fjærene 75,77 avføles i det hydrauliske system og anvendes til å signalisere at strømmen av hydraulisk fluidum fra forrådsleveringstanken 87 til enheten 17 som omfatter motoren 21 og pumpen 23, skal avbrytes.

Idet det fortsatt refereres til figur 3, er det her vist skjematisk det hydrauliske system for det hydrauliske fluidum for smøring og avkjøling av tetnings- og lagerkonstruksjonene 39, 40 og 51,53 til motoren 21 og pumpen 23, respektive, ifølge figur 2. Ventilen for disse hydrauliske forbindelsene er angitt med tallene 99,101,103,105 og 107 på figur 3.

Det hydrauliske system ifølge figur 3 anvender et par tilbaketrykkreguleringsventiler 109,111 i forbindelse med dyser 113,115 til dannelse av et par trykkfølersystemer (relay). Hver av ventilene 109,11 er utstyrt med et føler-stempel som på sin ene side refererer til pumpens sugetrykk og på dens motsatte side refererer til pumpens/motorens indre trykk. Følgelig avfølger hver ventil 109,111 diffe-rensialtrykket mellom det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 og pumpens sugetrykk. Hver ventil 109,111 har innstilt en områdefjær for å etablere et settpunkt. Ventilen 109 har den karakteristikken at den lukker ved trykk som er lavere enn deres settpunkt og åpner over disse settpunkter. Siden de refererer til sugetrykket er disse settpunkttrykk over pumpesugetrykket.

Ventilene 109,111 er montert i serie med dysene 113,115 respektive. Når hver ventil 109,111 lukkes skjer det ingen nevneverdig fluidumstrømning, og trykket ned-strøms for hver dyse 113,115 vil være likt trykket ved ut-løpet fra en hydraulisk pumpe 117 (400-600 psig høyere enn trykket til det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23). Likeledes, når hver av ventilene 109,111 åpner, vil strømning gjennom dysene 113,115 senke trykket nedstrøms for hver dyse til stort sett det trykket som er i motoren 21 og pumpen 23. Ventilene 119,112 er normalt lukkede ventiler som krever et trykk høyere enn trykket av det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 når dette påtrykkes deres diafragma eller stempel slik at de åpner. Likedan er ventilen 123 normalt en åpen ventil som krever et trykk som er høyere enn trykket i det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 for at den skal lukkes. Når pumpen 117 ope-reres av hovedmotoren 21 er det et høyt trykk til innløpet på ventilen 123 og til hver av dysene 113,115. Dersom trykket i det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 er lavere enn 30 psig over pumpesugetrykket, da vil ventilen 109 være åpen, og det vil ikke være noe trykk på operatoren (stempel eller diafragma) i ventilen 123. Trykket i det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 vil også være under ventilens 111 settpunkt, og ventilen 111 vil være åpen. I dette tilfelle er det et trykkfall over dysen 115. Konsekvensen av lavtrykket mellom dysen 115 og ventilen 109 er at ventilens 119 operator ikke trykksettes. Ventilen 119, en normalt stengt ventil, lukkes noe som muliggjør at operatoren effektuerer at leveringsledningen til ventilen 121 trykksettes. Høytrykket fra pumpen 117 gjennom ventilen 123 trykksetter operatoren (stempel eller diafragma) i ventilen 121. Denne ventilen 121 åpner og hydraulisk fluidum kan strømme fra navlestreng-forsyningsledningen 7 (figur 4). Navlestrengledningen 7 trykksettes for å sikre at det er tilstrekkelig trykk slik at det hydrauliske fluidum kan strømme inn i motoren 21 og pumpen.23. Etter hvert som hydraulisk fluidum strømmer inn i motoren 21 og pumpen 23 komprimeres belgkonstruksjonen 71. Virkningen av kompre-sjonen av belgkonstruksjonen 71 medfører at fjærene 75,77 strekkes, og trykket av det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 stiger relativt til sugepumpetrykket. Når trykket av det hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 stiger over ventilens 109 settpunkt, stenges denne ventilen 109. Stengingen av ventilen 109 stenger av strøm-ningen gjennom dysen 113 og ventilen 123 stenges. Når ventilen 123 stenges, innfanges trykket i ventilens 121 operator og det hydrauliske fluidum fortsetter å strømme fra navlestrengledningen 7 og inn i motoren 21 og pumpen 23.

Det hydrauliske fluidum fortsetter å strømme inn i motoren 21 og pumpen 23 inntil trykket overskrider ventilens 11 settpunkt. Ved dette punkt stenger ventilen 111 strømmen gjennom dysen 111 stanser opp. Trykket nedstrøms for dysen 115 stiger til nivået for utgangen fra pumpen 117. Ventilen 119, som er innkoplet nedstrøms på dysen 115, åpner. Dette ventilerer trykket fra ventilen 121 og muliggjør at den stenges slik at strømmen av hydrauliske fluidum gjennom navlestrengledningen 7 stanser.

En avlastningsventil 125 er anordnet for å håndtere enkelte operasjonelle situasjoner. Typisk, når et oljefelt betjenes, kan deler av feltet være nedstengt, mens andre deler tømmes. Når undervannssystemet (figur 1) restartes etter en lang oppholdsperiode er det sannsynlig at hydraulisk fluidum som lekker ut av arrangementene 39,41,51,53 vil redusere forladningen til stort sett lik 0. På dette tidspunkt, så snart motoren 21 har tilstrekkelig hastighet til å trykksette ventilen 121, vil systemet fylles. Systemet fylles på ganske kort tid, dvs. stort sett 1 til 2 mi-nutter. Under ifylling vil temperaturen i motoren 21 og pumpen 23 fortløpende øke inntil varmeveksleren 27 oppnår likevekt med den omgivende sjø og det resterende hydrauliske fluidum i motoren 21 og pumpen 23 ekspanderer.

Når systemet 1 ifølge figur 1-4 er i drift, vil hydraulisk fluidum som lekker gjennom tetnings- og lager-konstruks j onene 39,40 og 51, 53, respektive, i motoren 21 og pumpen 23, strømme inn i flerfase-effluenten som pumpes gjennom pumpen 23 og fører til at trykket i motoren 21 henholdsvis pumpen 23 synker, belgkonstruksjonen 71 ekspanderer, og fjærene 75 og 77 trykkes sammen. Siden lengden av fjærene 75,77 blir mindre, synker trykket av hydraulisk fluidum i motoren 21 og pumpen 23 i forhold til pumpesugetrykket. Når trykket i motor 21 og pumpe 23 synker under minimum-settverdien, som generelt vil være over pumpesugetrykket, begynner det hydrauliske system igjen å sirkulere, hvorved hydraulisk fluidum igjen leveres fra forrådsbeholderen 87 til tetnings- og lagerkonstruksjonene 39,40 og 51, 53, respektive, i motoren 21 og pumpen 23. Avlastnings-ventilen 125 (figur 3) i det hydrauliske system hindrer overtrykkssituasjonen og tidlig slitasje på pakningene i tetnings- og lagerkonstruksjonene 39,40 i motoren 21, og 51,53 i pumpen 23..

Tenker man seg at systemet 1 ifølge figur 1 drives kontinuerlig, kan man forvente et tap av hydraulisk fluidum fra forrådstanken 87 til undervannsmodulen 5 i en estimert mengde på ca 2,5 liter pr. dag. Overflatemodulen 3 kan forventes å levere, gjennom det hydrauliske systemet, ca 7,6 liter (2 gallon) hydraulisk fluidum til undervannsmodulen 5 ca hver tredje dag, idet forrådstanken 87 fylles av en ope-ratør ca en, to eller tre ganger hvert år. Det er vesentlig å forstå at det hydrauliske fluidum fra forrådstanken 87 lekker inn i prosessfluidumet og gjenvinnes, og at lekka-sjevæsken ikke lekker ut i miljøet.

Idet det fortsatt refereres til figur 4, overvåkes driften av systemet 1 fra produksjonsplattformens kontroll-rom. Kraftnivåene for motoren 21 og væsketrykk og strømmen av flerfase-effluent som pumpes, kan overvåkes under pumpingen under produksjonsprosessen. Temperaturen i det omgivende vann vil være tilstrekkelig til å frembringe til-fredsstillende kjøling av komponentene i undervannsmodulen 5.

Undervanns-flerfasesystemet 1 ifølge den foreliggende oppfinnelse er et hydraulisk «homogent»-pumpesystem ved at det er et fullstendig fylt eller lukket «homogent» (dvs. ingen gasskomprimering) hydraulisk system. Systemet 1 anvender et enkelmedium-fluidum som trykksettes til pumpeinn-løpet av trykkompensatoren 28 som opprettholder en komplett fylt hydraulisk kjøle og smørekrets inne i motoren 21 og pumpen 23.

Det skal forstås at selv om oppfinnelsen er rettet mot et flerfase-pumpesystem kan det anvendes i et enfase-pumpesystem.

Selv om det i detalj er beskrevet spesifikke utførel-ser av oppfinnelsen, skal det forstås av fagkyndige innen for teknikken at slike detaljer kan utvikles med et stort antall modifiseringer og alternativer, i lys av det totale innhold i beskrivelsen. Følgelig skal de beskrevne spesifikke arrangementene kun betraktes som illustrative og ikke begrensende på oppfinnelsens omfang, som skal oppfattes i sin fulle bredde basert på de medfølgende krav og samtlige og enhver ekvivalent derav.

Claims (13)

1. Undervannspumpesystem (1) forbundet med et brønnhode (95) for å pumpe en effluent fra en brønn på sjøbunnen, omfattende: en nedsenket pumpe (23) tilkoblet til brønnhodet (95) for å pumpe effluent ved et forhåndsbestemt pumpetrykk, en nedsenket, innkapslet elektrisk motorenhet (21) for å drive pumpen (23), enkel-mediumanordninger (7, 87) for å tilføre et enkel-mediumfluid til den nedsenkete pumpen (23) og til den nedsenkete, innkapslete elektromotoren (21) for kjøling og smøring av pumpeenheten (23) og den innkapslete elektromotoren (21), karakterisert ved å omfatte en nedsenket trykkompensatoranordning (28) som reagerer på pumpetrykket og som omfatter anordninger (71,73, 75, 77, 79) for trykksetting av nevnte enkel-mediumfluid ved et trykk over pumpetrykket for å føre nevnte enkel-mediumfluid gjennom den nedsenkete pumpen og den nedsenkete, innkapslete elektromotoren.

2. Undervannspumpesystem (1) i. samsvar med krav 1, karakterisert ved at trykkompensatoranordningen (28) omfatter en belganordning (71).

3. Undervannspumpesystem (1) i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den ytterligere omfatter en nedsenket varmeveksleranordning (27) i forbindelse med den nedsenkete trykkompensatoranordningen (28) for å fjerne varme fra nevnte enkel-mediumfluid og overføre varmen til det omliggende sjøvann.

4. Undervannspumpesystem (1) i samsvar med krav 1, karakterisert ved at den nedsenkete trykkompensatoranordningen (28) er plassert tilstøtende til i det minste pumpen (23) og den innkapslete elektriske motorenheten (21).

5. Undervannspumpesystem (1) i samsvar med krav 1, karakterisert ved at nevnte enkel-mediumf luid er forenlig med effluenten som blir pumpet.

6. Undervannspumpesystem (1) i samsvar med krav 1, karakterisert ved at effluenten er en flerfase-effluent inneholdende en blanding av olje, gass og vann, og hvor nevnte enkel-mediumfluid er olje.

7. Undervannspumpesystem (1) i samsvar med krav 1, karakterisert ved å omfatte: en undervannsmodul (5) omfattende: nevnte pumpe (23), nevnte nedsenkete, innkapslete elektriske motorenhet (21), nevnte enkel-mediumanordninger (7,87), nevnte nedsenkete trykkompensatoranordning (28) plassert tilstøtende til i det minste pumpen (23) og den innkapslete motoren (21) og omfattende en belganordning (71), og en nedsenket varmeveksleranordning (27) i forbindelse med belganordningen (71) til den nedsenkete trykkompensatoranordningen (28) for å fjerne varme fra nevnte enkel-mediumfluid og å overføre varmen til det omliggende sjøvannet, en oversidemodul (3) omfattende: en kraftforsyningsanordning (89) og et kontrollsystem (91) for tilførsel av elektrisk kraft til undervannsmodulen, og en tilførselkilde (87) for enkelmedium for til-førsel av enkel-medium til enkel-mediumanordningen, og en tilførselsledninganordning (7) for å forbinde oversidemodulen (3) til undervannsmodulen (5) for tilførsel av elektrisk kraft til den nedsenkete, innkapslete elektromotoren (21) og for tilførsel av nevnte enkel-medium til undervannsmodulen (5), hvor nevnte enkel-medium er forenlig med effluenten.

8. Undervannspumpesystem (1) i samsvar med krav 7, karakterisert ved at effluenten er en flerfase-effluent omfattende et antall fluidumer bestående av en blanding av olje, gass og vann.

9. Undervannspumpesystem (1) i samsvar med krav 8, karakterisert ved at den nedsenkete pumpen (21) er en flerfasepumpe, og hvor nevnte enkel-mediumfluid er olje.

10. Fremgangsmåte for å pumpe en effluent fra en brønn (95) på sjøbunnen, omfattende trinnene: å forbinde en nedsenket pumpe (23) med brønnhodet (95) for å pumpe effluenten ved et forhåndsbestemt pumpetrykk, å frembringe en nedsenket, innkapslet elektrisk motorenhet (21) for drift av pumpeenheten (23), å tilføre et enkel-mediumfluid gjennom den nedsenkete pumpen (23) og den nedsenkete, innkapslete elektromotoren (21) for kjøling og smøring av pumpen og den innkapslete elektromotoren, karakterisert vedat en nedsenket kompensatoranordning (28), som reagerer lett på pumpetrykket, trykksetter nevnte enkel-mediumfluid ved et trykk over pumpetrykket for å lede nevnte enkel-mediumfluid gjennom den nedsenkete pumpen og den nedsenkete, innkapslete elektromotoren, og at det velges enkel-mediumfluid som er forenlig med effluenten.

11. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10, karakterisert ved at effluenten er en flerfase-effluent omfattende et antall fluidumer bestående av en blanding av vann, olje og gass, og hvor nevnte enkel-medium er olje.

12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 10, karakterisert ved de ytterligere trinn: å la nevnte enkel-medium lekke inn i pumpen (21) og inn i effluenten som pumpes.

13. Fremgangsmåte i samsvar med krav 12, karakterisert ved de ytterligere trinn: å frembringe en flerfasepumpe (21), å pumpe en flerfase-effluent, og å la nevnte enkel-medium lekke inn i flerfasepumpen (21) og inn i flerfase-effluenten som pumpes.