NO328328B1 - Undervanns separasjonsanlegg. - Google Patents

Abstract

Oppfinnelsen omhandler et anlegg på havbunnen som består av et antall rør som fungerer som separatorrør for fraskillelse av olje og kondensat fra gass. Rørene er forbundet med et samlerør som er tilknyttet brønnene. Samlerøret er innrettet til å eliminere væskeplugger og utjevne strøm-ningen før separering.

Description

Foreliggende oppfinnelse omhandler et undervannsanlegg for separasjon av hydrokarboner fra en undersjøisk brønn, omfattende minst en rørformet separator som har et innløp og minst ett utløp for henholdsvis væske og gass.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for å skille væske fra gass og separasjon av væske i hydrokarbonvæske og vann fra en undervanns brønnstrøm v.h.a. gravitasjonskrefter.

Reservoarer som det produseres hydrokarboner fra kan grovt deles i to typer.

1. Gass/kondensat reservoarer

2. Oljereservoarer

Brønnstrømmen fra et gass/kondensat reservoar vil for det meste inneholde naturgass men vil også inneholde kondensater (lette hydrokarboner i væskefase). I tillegg kan den inneholde vann, enten som kondensert vann som er i likevekt med gassen under foreliggende trykk og temperatur, eller produsert vann fra reservoaret. Dessuten kan det være kjemikalier tilsatte ved brønnhodet for å unngå korrosjon og gasshydrater.

Brønnstrømmen fra et oljereservoar inneholder for det meste olje, men det vil normalt være en varierende andel naturgass. I tillegg kan også denne inneholde vann og tilsatte kjemikalier som korrosjonsinhibitor, scaling inhibitorer m.m.

Vannet, enten det er produsert vann eller kondensert vann er ikke en kommersielt utnyttbar ressurs i brønnstrømmen og kan forårsake problemer som økt trykktap, væskeplugger, korrosjon, scaling, emulsjoner og hydrater i transportsystemet.

Når hydrokarboner utvinnes fra en undervanns brønn brukes det eksisterende reservoartrykket til å transportere væske og gassblandingen fra reservoaret opp til brønnhodet og gjennom transportrørledningen til en mottaksterminal eller til en flytende produksjonsenhet (FPSU - Floating Production Surface Unit).

Den delen av transportledningen som forløper på havbunnen vil ha naturlige buktninger og væskedelen av brønnstrømmen vil samle seg på de laveste stedene når brønnstrømshastigheten er tilstrekkelig lav. Når det har samlet seg nok væske kan det dannes en væskeplugg (slug) som drives av et høyt baktrykk og skyves igjennom rørledningssystemet. Denne væskepluggen er en uønsket hendelse i et flerfasetransportsystem og kan medføre problemer for mottakssystemet i form av raske trykkendringer og fare for væske i uønskede deler av mottakssystemet. Der væskepluggen ankommer et landanlegg må det bygges store mekaniske konstruksjoner (væskefangere) for demping av disse trykkendringene og lagring av væskemengden som kommer inn. Ulempen med denne løsningen er at den krever stor plass.

Ved produksjon til en FPSU, spesielt når enheten ligger i et havområde med dypt vann, vil pluggen forårsake belastninger på stigerørsystemet samt at væskesøylen vil øke mottrykket mot reservoaret, noe som skaper raske trykk- og volumstrømsendringer som er problematisk å håndtere på den flytende enheten. Dette problemet avhjelpes normalt med å injisere gass i bunnen av stigerøret, og dette vil hjelpe til med å løfte pluggen opp gjennom stigerøret. Ulempen med denne løsningen er at trykktapet i stigerøret vil være høyt p.g.a. økt friksjon.

En annen løsning er å installere en eller flere separatortanker på havbunnen hvor gassandelen skilles fra væsken, og væsken og gassen føres opp til overflaten i separate stigerør. Væsken må da pumpes opp til et høyere trykk. Ulempen med denne løsningen er størrelsen på separatortanken som må ha en stor diameter for å gi god separasjon. På grunn av stort utvendig eller innvendig trykk er det nødvendig med tykkveggede tanker, noe som gjør dem vanskelige å produsere med dagens teknologi. I tilegg har separatortankene ofte avansert innmat som krever vedlikehold, noe som igjen medfører at de må kunne trekkes opp til overflaten. Dette er tidkrevende og kostbart. Designmessig gjør dette at separatortankene på havbunnen må bestå av flere mekaniske konstruksjoner som kan kobles sammen v.h.a. et fjernstyrt installasjons system. Hvis anordningen installeres i et område der det forgår fiske må også installasjonen være overtrålbare, noe som også øker størrelse og vekt på utstyret.

I stedet for separatortanker med stor diameter er det foreslått å utforme denne som et langt rør som legges horisontalt eller svakt skrånende på havbunnen. Eksempler på slike løsninger er blant annet vist i WO Al 2006/098637, AU Al 2006/0151167, NO 316840, US 4,661,127, US Bl 6,468,335, NO 19994244 og NO 20015048. Ulempen med denne løsning er at den bare kan brukes på gassreservoarer der væskeandelen er lav. Foreliggende oppfinnelse som definert i de etterfølgende krav kan brukes på begge typer reservoarer uansett væske/gass forhold til å skille væsken fra gassen og de forskjellige væskefasene fra hverandre, for deretter å transportere dem i forskjellige rørledninger til land eller plattformer. Foreliggende oppfinnelse kan også benyttes til å reinjisere produsert og kondensert vann inn i reservoaret for å bidra til å bibeholde reservoartrykket.

Ved å skille gass og væske og innføre separat transport, kan utvinningsgraden til reservoaret økes og problemer i transportsystemet forhindres.

Ved oppfinnelsen er det tilveiebrakt utstyr for plassering på havbunnen som er enkelt, kan fungere autonomt og skille væske fra gass. I tillegg kan man skille væsken i en hydrokarbonvæskefase og en vannfase der vannet kan reinjiseres eller transporteres separat.

I de tilfeller der brønnstrømmen kommer fra et gass/kondensat reservoar, kan et slikt anlegg installeres på et sted der temperaturen på brønnstrømmen er blitt nedkjølt til havbunnstemperaturen slik at alt metningsvann er felt ut. Væsken (kondensat, glykol og kondensert vann) kan separeres ut og pumpes i separat rørledning til land. Den gjenværende gassen strømmer av seg selv til land. Dette medfører at det i liten grad oppstår væskeansamlinger i transportrørledningen til land eller plattform og store væskefangere ved mottaket kan elimineres.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et system som på en mer effektiv måte separerer væske fra gass, ved at strømningen utjevnes før den kommer inn i den delen av systemet der selve separasjonen foregår. Dette oppnås ved at innløpet står i forbindelse med et samlerør tilknyttet minst en brønn idet nevnte samlerør er tilpasset for å fjerne væskeplugger fra brønnstrømmen.

Systemet er videre anordnet slik at delene er anordnet i flere plan. Dermed kan fraskilt væske strømme ut ved hjelp av tyngdekraften. Det oppnås også en mer kompakt struktur.

Anordningen er også konfigurert slik at væsken kan skilles i en hydrokarbonfase og en vannbasert fase. Den vannbaserte fasen kan pumpes til plattform, land eller ned i et undergrunnsreservoar.

Oppfinnelsen innebærer en rekke fordeler:

• Anordningen kan benyttes for alle typer brønnstrømmer fra alle typer reservoarer

• Anordningen kan designes og installeres både på dypt og grunt vann

• Anordningen kan utføre gravitasjonsseparasjon og designes i henhold til rør-kode i stedet for vessel kode. (kostnads- og vektbesparende)

• Anordningen kan installeres i kombinasjon med et HIPPS system.

• Anordningen er selvbærende under løfting og installasjon. Den trenger ikke separat struktur for å bære lasten av rørene. • Anordningen kan installeres i områder der det forgår trålefiske da rørføringene kan konstrueres slik at anordningen er overtrålbar.

Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen som definert i etterfølgende krav gjøres de trinn å transportere brønnstrøm til et kombinert gravitasjonsseparasjonssystem og væskepluggbuffer med en tilleggsanordning for væskeutskilling anordnet på havbunnen, og separerer væske og gass ved å fordele brønnstrømmen i et gitt antall rør i flere plan. Gassen ledes i et plan og væsken i et eller flere andre og å føre gassen videre i et separat transportsystem

Væskene pumpes og føres videre i et separat transportsystem

Oppfinnelsen kan nærmere beskrives i det følgende, med henvisning til de medfølgende figurene:

Fig 1 er en skjematisk tegning av et anlegg på havbunnen sett fra siden

Fig 2 er en isoskjematisk tegning av et anlegg på havbunnen.

På fig. 1 og 2 er vist et antall brønnstrømrør 1. Hvert brønnstrømrør kommer fra ett enkelt undervanns produksjonssystemer, som kan være en satelittbrønn eller en gruppe brønner anordnet på manifolder (ikke vist). Eksempelvis er det på figurene vist to brønnstrømrør. Antall brønner som ønskes tilknyttet anlegget bestemmes av den totale produksjon og kapasiteten til anlegget og kan variere fra en enkelt brønn til alle brønner fra et helt felt.

Brønnstrømrørene føres til et samlerør 2. Samlerøret 2 er i den foretrukne utføringsform vist på figurene anordnet vinkelrett på brønnstrømrørene men andre konfigurasjoner er også mulig, eksempelvis med en vinkel. Tilkoblingspunktene for brønnstrømrørene 1 fordeles symmetrisk langs samlerøret 2 på en slik at en god fordeling av brønnstrømmen oppnås i samlerøret.

Samlerørets oppgave er å fjerne eller utjevne væskeplugger som befinner seg i brønnstrømmen. Samlerøret 2 har en indre diameter og lengde hvilke må være tilpasset de aktuelle brønnstrømmers sammensetning og strømningsrate slik at de innkommende væskeplugger kan fordeles tilstrekkelig raskt.

Et antall rør 3 som fordelaktig er anordnet med en fastlagt avstand mellom seg er hver tilknyttet samlerøret 2. Rørene 3, som fungerer som separatorrør, er anordnet i samme plan som samlerøret 2 og fortrinnsvis vinkelrett på samlerøret. Hvert separatorrør 3 omfatter et første segment 6 som forløper horisontalt eller svakt nedad skrånende og et andre segment 6' som skråner oppover. Separatorrørene er utformet for å separere gass og væsken mens de strømmer igjennom røret og er av en slik diameter og lengde at væsken og gassen separeres effektivt. Dette gjøres ved å beregne nødvendig antall utløpsrørs 3 diameter og lengde på rørsegmentet 6 samt høyde og vinkel på rørsegmentet 6'. Summen av separatorrørenes kapasitet tilsvarer den fra brønnene innkomne strømningsmengde.

Et andre samlerør 7 er tilknyttet rørenes 3 andre ende og fortrinnsvis anordnet vinkelrett på dette. Samlerøret 7 samler gassen fra separatorrørene til en strøm og leder denne inn i gass-transportrør 8 som utgjør et gasstransportsystem som leder gassen til en flytende produksjonsenhet eller til land.

Hvert separatorrør 3 har et utløp 4 for fraskilt væske. Utløpet 4 er beregnet på å motta væsken som er fraskilt i separatorrørene 3. Utløpene 4 er anordnet i en slik avstand fra samlerøret 2 at gassen og væsken har skilt lag. Det vil si at væsken og gassen strømmer lagdelt igjennom røret med væsken nederst. Utløpene 4 er anordnet som nedad skrånende nedløp som fører væsken ned til et lavere nivå. Nedløpene 4 er anordnet slik at det meste eller alt av væsken vil strømme ned nedløpet på grunn av sin egen tyngde. Antall nedløp og nedløpenes avstand fra samlerøret 2 er tilpasset brønnstrømmens fysiske egenskaper for å optimalisere separasj onseffektiviteten.

Ytterligere utløp 5 kan, dersom nødvendig, være tilknyttet rørene 3 og er beregnet på mulig ytterligere væske som er blitt fraskilt etter det første utløp.

Hvert utløp 4 og 5 er tilknyttet et væske-utløpsrør 9. Utløpsrørene 9 er anordnet i et andre plan, lokalisert under det første plan. Væskeutløpsrørene 9 er dimensjonert for å være tilstrekkelig store til å mellomlagre væskeplugger fra rørledningene på havbunnet som leder brønnstrømmen til anordningen.

Væskeutløpsrørene 9 er tilknyttet et samlerør 12 som igjen er tilknyttet et transportrør. En pumpe 14 kan være anordnet i transportrøret for å øke trykket i væsken (dersom dette er nødvendig) før denne ledes inn i et separat væsketransportsystem til land eller til plattform.

Dersom brønnstrømmen inneholder faste partikler (sand), vil disse følge med væsken og kan samles opp i en anordning for sandfjerning 13. Denne vil i så fall være lokalisert oppstrøms væskepumpen 14.

I mange tilfelle vil brønnstrømmen inneholde en del vann. I så fall vil denne følge med væskefasen som er utskilt i separatorrørene 3. Dersom det er ønskelig å også skille vannet fra oljefraksjonen kan anlegget utformes med et ytterligere rørsystem 18. Dette vil i så fall være lokalisert i et tredje plan, anordnet under det andre plan. På samme måte som beskrevet ovenfor kan hvert væskeutløpsrør ha et utløp 10, hhv. 11 for vann, utformet som et nedløp. Vannet renner langs nedløpet 10 til vannutløpsrør 20 som er tilknyttet et ytterligere samlerør 15. Som tidligere beskrevet må antall utløp og utløpenes avstand fra væskenedløpsrør 4 og 5 tilpasses brønnstrømmens fysiske egenskaper for å optimalisere separasj onseffektiviteten.

Samlerøret 15 for vann er tilknyttet et transportrør. En pumpe 17 er plassert i transportrøret for pumping av vannet til land eller til injisering i en formasjon under havbunnen. Dersom brønnstrømmen inneholder partikler (sand) vil disse føres med vannfraksjonen. Anordningen 16 for sandfjerning vil da være lokalisert her. Denne vil i så fall være lokalisert oppstrøms væskepumpen 17.

Anordningen vil fordelaktig være konstruert for å utgjøre en selvbærende konstruksjon dimensjonert for å tåle de laster anordningen påskjennes av under løfting og installasjon på havbunnen. Rørene kan i tillegg være lagt ut på en slik måte at anordningen er overtrålbar.

Claims (11)

1. Undervannsanlegg for separasjon av hydrokarboner fra en undersjøisk brønn, omfattende et første samlerør (2) tilknyttbart til minst en brønn (1), minst to første rørsegmenter (3) anordnet i hovedsak parallelle med hverandre og tilnærmet vinkelrett på det første samlerør (2) og i et felles plan, hvor hvert rørsegment (3) har et innløp knyttet til samlerøret (2) og hvor de første rørsegmenter (3) omfatter et utløp tilknyttet et andre samlerør (7), karakterisert ved at anlegget videre omfatter minst to andre rørsegment (9) anordnet i hovedsak parallelle med hverandre og i et andre plan, hvilket andre plan er anordnet relativt under det første plan og forbindelser (4,5) som operativt forbinder rørsegmentene (3) i det først plan med rørsegmentene (9) i det andre plan, og hvor rørsegmentene (9) i det andre plan omfatter minst et utløp som leder til et tredje samlerør (12).

2. Undervannsanlegg som angitt i krav 1, karakterisert ved at det første plan med de første rørsegmenter (3) og det andre plan med de andre rørsegmenter (9) er hovedsakelig parallelle plan.

3. Undervann anlegg som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at minst et av utløpene fra de andre rørsegmentene (9) danner innløpet (10) til minst to tredje rørsegment anordnet i et tredje plan, hvilket tredje plan er anordnet relativt under det andre plan, og hvor minst et av utløpene fra det tredje rørsegment leder til et fjerde samlerør (15).

4. Undervannsanlegg som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at minst et av samlerørene (2,7,12,15) har en lengdeakse hovedsakelig vinkelrett på en lengdeakse av rørsegmentene (3,9).

5. Undervannsanlegg som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at en av forbindelsene (4) som danner ett av utløpene fra de første rørsegmentene (3) har en skrå vinkel i forhold til en lengdeakse av de første rørsegmentene (3).

6. Undervannsanlegg som angitt i krav 1, karakterisert ved at det første plan er et hovedsakelig horisontalt plan.

7. Undervannsanlegg som angitt i krav 5 eller 6, karakterisert ved at de første rørsegmentene (3) er rørformede separatorer og et første utløp er et gassutløp og forløper relativt opp fra det første plan og et andre utløp fra de første rørsegment (3) til en forbindelse (4) er et væskeutløp som leder relativt ned til de andre røresegment (9).

8. Undervannsanlegg som angitt i krav 6 eller 7,karakterisert ved at de andre rørsegment (9) omfatter et gassutløp (5) som leder til det andre samlerør (7) eller til de første rørsegmentene (3) nedstrøms væskeutløpet (4) fra disse rørsegmentene (3).

9. Undervanns anlegg som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at det tredje samlerør (12) leder til en første pumpestasjon (14).

10. Fremgangsmåten for separasjon av væske og gass og separasjon av væske i hydrokarbonvæske og vann, karakterisert ved følgende trekk: å først transportere en brønnstrøm til en væskepluggbuffer anordnet på havbunnen, deretter å transportere brønnstrømmen til et gravitasjonsseparasjonssystem i henhold til krav 1, og separere væske og gass ved å fordele brønnstrømmen i et gitt antall rør i flere plan slik at gassen ledes i et plan og væsken i ett eller flere andre plan, og hvor gassen og væsken føres videre i egne separate transportsystem.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 10, karakterisert ved at gassen ledes gjennom en tilleggsanordning for fjerning av restvann gravitasjonsdelen av systemet ikke fjernet.