NO332711B1 - Separator - Google Patents

Abstract

En separator for å separere flerfasestrømning er beskrevet, hvor separatoren omfatter: et innløp for et flerfasefluid, et antall utløp, minst ett for hver valgt separatorfase; og en ringformet hovedrørboring gjennom hvilken flerfasestrømningen blir brakt til å strømme og for å bli separert i lettere og tyngre fluider, der boringen har et utløp for hver av de lettere og tyngre fluidene.

Description

Oppfinnelsen vedrører en separator for å separere flerfasestrømning, og spesielt en separator som kan benyttes som en del av den undersjøiske enheten.

Generelt gjelder den aktuelle praksis for utvikling av undersjøiske hyd roka r-bonfelter en makrofeltstørrelse som benytter et antall undersjøiske brønner sam-menkoplet gjennom en undersjøisk infrastruktur, rørledninger og stigerør til et pro-sessanlegg på overflaten, slik som et flytende produksjonsfartøy eller en plattform. På mange steder, spesielt i fjerntliggende strøk, er andelen gass og vann i det fluid som produseres av brønnen betydelig, og er vanligvis et overskuddsprodukt sammenlignet med oljen som det vanligvis er ønskelig å utvinne. Gassen og vannet må fjernes på en sikker og ren måte som ikke skader miljøet.

En løsning for et slikt system er at gass og vann som er blitt tatt ut av brøn-nen og som blir separert på overflaten, kan pumpes tilbake til havbunnen for å bli gjeninjisert ved havbunnen inn i undersjøiske brønner. Denne reinjiseringen reduserer minskningen av reservoartrykket og gjør det mulig for feltet å produsere over lengre tid. For å øke produksjonshastigheten må energi leveres til produksjons-strømmen ved å bruke enten brønnhulls- eller havbunns-metoder.

Totalt krever den nåværende løsning et komplekst feltproduksjonssystem som har mange rørledninger, og dermed medfører høye feltkapitalkostnader og driftsutgifter. De høye utgiftene reduserer det kommersielle taket der feltet kan drives lønnsomt. Når feltet blir eldre og produksjonen avtar, blir det nådd et nivå hvor betydelige ressurser fremdeles er på plass, men hvor det ikke lenger er kom-mersielt lønnsomt å drive brønnene.

Konvensjonelt blir strømningen som oppnås fra en undersjøisk brønn dirigert til et overflateproduksjonsfartøy. Tilbaketrykk på brønnen reduserer produksjonshastigheten og frembringer en tidlig minskning av brønnens produksjonsleve-tid etter hvert som reservoartrykket ved bunnen av brønnen må overvinne det hydrostatiske trykket og det trykket som forårsakes av friksjon. Brønndybden, avstanden langs havbunnen og vanndybden er derfor alle faktorer som bidrar mot reservoartrykket. Ved et visst trinn opphører brønnen å produsere en nyttbar strømning når en betydelig andel av det ønskede fluidet er tilbake i reservoarområdet som tømmes ved hjelp av brønnen. Energi kan tilføres produksjonsstrømmen, enten nede i hullet, ved brønnhodet eller i stigerøret. Innføringen av energi øker løfte- kostnaden til oljen fra brønnen og reduserer derved den kommersielle lønnsom-heten til brønnen, og i noen tilfeller hele feltet.

På dypt vann eller brønner i betydelig avstand, slik som over et antall kilo-meter fra overflateproduksjonsfartøyet, avtar produksjonshastigheten eller energi-innmatingen forårsaker at den kommersielle verdien til et felt blir redusert hurtig-ere. Den tidligere ulønnsomheten til feltet utgjør betydelige verdifulle ressurser, slik som de ikke produserte naturressursene som blir etterlatt på stedet. Følgelig, og spesielt på dypt vann, kan de begrensede produksjonshastighetene, den tidlige minskningen og de høyere kostnadene resultere i økte investeringsbehov med lavere lønnsomhet. Dette sikrer at små og middelsstore felter ikke kan utnyttes full-stendig, om i det hele tatt, ved å bruke nåværende praksis.

Når brønner er i en betydelig horisontal avstand langs havbunnen fra over-flateproduksjonsfartøyet, forårsakes et antall betydelige problemer, slik som støt-vis strømning, hydratisering, voksutfelling og øket mottrykk av den avstanden som produksjonsfluidet må tilbakelegge. Bruk av kunstig gassløfting i brønnen kan i til-legg forsterke disse problemene og forårsake at rørledninger må oppfylle høyere spesifikasjoner og større diameter, noe som øker kostnaden.

For å maksimalisere produksjonskapasiteten til en brønn, tar brønnoperatø-rer i betraktning løsninger som er basert på makrofeltløsningen, og disse innbefat-ter brønnhullsgassløft eller pumping, havbunnsdrift, flerfasepumping, gass/væske-separasjon, hydrokarbon/vann-separasjon, individuell gass/væske-separasjon for brønner og 3-fase-separasjon.

Når trykket i reservoaret avtar og med forskjellige hastigheter i forskjellige deler av feltet, vil det volum som produseres fra brønnene også avta. For å opprettholde en effektiv produksjonshastighet kreves tilføyelse av kunstig løfting i brønnene som øker strømningstrykket i brønnhodet på havbunnen. Dette betyr at i pumpede brønner vil en betydelig mengde gass fremdeles være i oppløsning ved brønnhodet.

I en makrofeltløsning strømmer brønnenes produksjon opp til undersjøiske ventiltrær til en manifold hvor strømningen fra de enkelte brønnene blir sammen-blandet, og så strømmer flerfasefluidet til overflaten via rørledninger og stigerør. For å redusere mottrykket som forårsakes av rørledningene, kan fremgangsmåter for å tilveiebringe energi til strømningen nedstrøms for manifolden, slik som ytterli gere pumper, brukes. Når fluidet strømmer opp gjennom brønnen, vil gassen komme ut av løsning straks den er over boblepunktet, og dermed forårsake en gass/væske-strømning ved brønnhodet. Slike flerfasepumper krever imidlertid ytterligere energi som øker prisen på denne løsningen. Kravene til pumping av denne frie gassen er meget forskjellige, og i mange tilfeller motsatt av de som kreves for pumping av væske, og dermed er det en konstruksjonskonflikt og på det beste kan bare et dårlig kompromiss oppnås. Derfor ble det foretrukket å separere fluidet i gass og væske som kan dirigeres til egnede gasspumper og væskepumper. Ettersom friksjonstap langs en rørledning reduserer trykket, kommer mer og mer gass ut av væskeløsningen, og utgjør eventuelt 50 til 100 meters gassplugger. Det skal tas i betraktning at denne gassen ikke må pumpes på grunn av den lave gassfriksjonsfaktoren og det lave hydrostatiske gasstrykket, og fritt kan bevege seg langs sin egen rørledning. Det er væskepluggene som må skyves sammen med den komprimerte gassen. Følgelig er den energien som brukes av en fler-fasepumpe til å komprimere gassen for å oppnå en trykksatt flerfasestrømning, unødvendig hvis en separat gasstrømningsledning blir brukt.

På overflaten kan store trykkbestandige, tette tanker brukes til å tilveiebringe passende oppholdstid for strømningen til å separere den i gass-, olje-, vann- og faststoffslam-faser. Å separere fluider ved høye trykk på overflaten, eller på havbunnen eller ved lavt trykk i dypere farvann, krever separatorer som kan motstå revning, sammenklapping eller begge deler. Store konvensjonelle tanker er ikke lenger egnet, og mindre tanker som er i stand til å motstå høye interne og/eller eksterne trykk må brukes.

Den reduserte størrelsen reduserer enten volumgjennomstrømningen eller flere må brukes, noe som i betydelig grad øker kompleksiteten. Denne oversikten har dekket den konvensjonelle løsningen på undersjøisk separasjon av brønn-hodefluider.

Undersjøisk gass/væske-separasjon og pumping kan delvis trekke fordel av brønnhodet på havbunnen og vanndybden. Gassen kan separeres ved et lavere trykk enn det laveste trykkpunktet i den pumpede væskeledningen. Et slikt system er beskrevet i US 4900433 ved å gi en boreløsning som benytter et konvensjonelt undersjøisk lederør som separatorhus. På grunn av lederørdimensjonen er en maksimal gjennomstrømning på omkring 30.000 fat pr. døgn hva som kan forven- tes fra et slikt system. Konseptet som er beskrevet i US 4900433 er basert på en kombinasjon av to prinsipper. En generell beskrivelse av hvordan disse prinsippene oppfører seg med hensyn til separasjon, er for det første at fluidet blir tillatt å strømme inn i en nedover vinklet strømningsrenne som gjør det mulig å redusere fluidhastigheten ned til et maksimum på 2-3 meter pr. sekund. Hastigheten til fluidet ned gjennom rennen blir regulert av den nedoverrettede vinkelen. I en lang rett renne er lengden avhengig av den tid som er nødvendig for å tillate gassen å per-kolere opp i forhold til dybden av rennen eller for oljen/vannet å danne en todelt strømning. Dybden av og hastigheten til fluidet i rennen bestemmer den nødven-dige lengden av rennen. For det annet er rennen nå viklet omkring en sentral kjerne på en skrueformet måte, med enheten installert i et undersjøisk lederør, eller den kan være en del av en havbunnssilo montert på havbunnen. Fluidet i rennen blir nå utsatt for en rotasjonskraft som utøver en sentrifugal gravitasjonskraft på boblene eller danner små dråper.

Traulengden kan nå forkortes ettersom den er omvendt proporsjonal med

den rotasjonsmessige gravitasjonseffekten. Når rennen er viklet omkring den sentrale kjernen, kan et antall rotasjoner oppnås pr. meter hull. Den resulterende omkretsen av den sirkulære spiralrennen betyr en betydelig spiralføringsdistanse som kan oppnås i enten hulldypet eller i silohøyden.

Selv om separasjonen er effektiv, er volumgjennomstrømningen begrenset av den begrensende diameteren og lengden av lederøret. Den høyden som er nødvendig for en silo, kan føre til en høy profil på havbunnen og eventuelle fast-hengningsproblemer.

Prinsippene bak separasjonen av fluid er nå beskrevet. Separasjonen av fluider (gass, olje og vann) er en fysisk operasjon og inntreffer naturlig hvis fluidet blir holdt i en uniform tilstand. Separasjonshastigheten ved et fastsatt trykk er gitt av Stoke's Law, som fastslår:

hvor: S - slutthastighet eller separasjonshastighet c - konstant

g - gravitasjon

d - dråpediameter

p2- densitet for omgivende fluid

pi - dråpedensitet

u, - viskositet for omgivende fluid.

Dette viser at diameteren til en dråpe, boble eller partikkel som kvadreres, er en viktig faktor som definerer separasjonshastigheten.

Dette gjelder de frie gassboblene eller dråpene i enten olje eller vann i det omgivende fluid. Ved et visst trykk vil en viss gassmengde være i løsning som ikke kan separeres ut ved dette trykket. Hvis trykket blir senket, vil mer gass komme ut av løsningen. Derfor er det viktig å operere separatoren ved et trykknivå som vil oppnå det korrekte nivå for gass/væske-separasjon som definert for systemet. Trykknivået vil ikke påvirke størrelsen av faststoffer, og vil bare marginalt påvirke størrelsen av væskedråper.

De to variable men kritiske faktorene i separasjonsprosessen mellom to fluider med definert densitet, viskositet og trykk, er diameteren til boblen eller dråpen og virkningen av gravitasjon.

I en stor stasjonær fluidseparasjonstank der virkningen av gravitasjonen på jordoverflaten settes lik 1g, blir bare 1g påtrykket, noe som resulterer i en oppholdstid på 10-15 minutter for å oppnå et separasjonsnivå mellom forskjellige væsker. Ved å rotere fluidet kan g-kreftene økes (f.eks. ved å bruke en sentrifuge hvor kraften blir øket til 5000 g og ved å bruke en hydrosyklon til 2000 g).

Den sentrifugalkraften som skapes av en roterende artikkel uansett om det gjelder en enhetsmasse, en dråpe, en boble eller en partikkel, er gitt ved:

hvor: Cf - sentrifugalkraft

m - artikkelmasse

V - hastighet

r - rotasjonsradius

Dette viser at hastigheten som kvadreres, er en sensitiv verdi når det gjelder å øke separasjonsfaktoren for en fastsatt rotasjonsradius. Kombinasjonen av krumningsradien og hastigheten vil definere strømningshastigheten gjennom separatoren. Separatorens volum er avhengig av tiden for å oppnå det ønskede separasjonsnivå for strømningshastigheten.

En separator i hvilken g-kreftene er høye, er derfor meget effektiv når det gjelder å sørge for at partiklene eller materialene som separeres, forblir ved samme størrelse (dvs. sand og urenheter i en væske).

Hovedulempen med disse separatorene med høy g-kraft for å separere væsker under bevegelse i en fast syklon eller spiral sammenlignet med et stasjo-nært fluid i en sentrifuge, er de høye skjærspenningskreftene som resulterer i å bryte ned dråpestørrelsen, forårsake mindre dråper og endog skape emulsjoner. For enten å redusere virkningen av emulsjoner eller for å rette på problemet, kan kjemiske tilsetningsstoffer brukes. Fordelen med høyere gravitasjonskraft blir derfor overskygget av den drastisk reduserte dråpediameteren, fordi separasjonskraf-ten er avhengig av kvadratet av dråpediameteren.

En gradvis reduksjon av dråpediameter i et fluid under bevegelse inntreffer ned til 20 g, men over denne verdien inntreffer en stor reduksjon i dråpediameter med den virkning at høyere gravitasjonskrefter nå bare forårsaker er mindre økning i separasjonshastigheten.

Det er derfor kritisk å holde dråpediametrene så store som mulige ved å frembringe en gravitasjonseffekt mellom 10-20 g og ved å holde hastigheten til fluidet mellom et maksimum på 2-3 m/s.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å overvinne problemene i forbindelse med tidligere kjent teknikk og å tilveiebringe en separator som hurtig og effektivt kan separere flerfasestrømning i de enkelte komponentfasene.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det tilveiebrakt en separator for å separere flerfasefluid, hvor separatoren omfatter: et innløp for et flerfasefluid;

et antall utløp, minst ett utløp for hver valgte separerte fase;

en ringformet hovedrørboring i fluidkommunikasjon med innløpet og utløpene, og gjennom hvilken flerfasefluidet blir brakt til å strømme og til å bli

separert i lettere og tyngre fluider, idet boringen har et utløp for hvert av de lettere og tyngre fluidene. Utløpet for det tyngre fluidet er tangensialt til hovedboringen i strømningsretningen og fra en nedre, ytre seksjon av hovedboringen, og utløpet for det lettere fluidet er tangensialt til hovedboringen i strømningsretningen, og fra en øvre, indre seksjon av hovedboringen.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer derfor en rotasjonsbane gjennom hvilken flerfasefluidet blir brakt til å strømme, og tillater en strømningsbane med stort volum å bli oppnådd uten at det kreves et stort separasjonskar. Separatoren ifølge oppfinnelsen kan tilveiebringes i en lav, hektebestandig modul og krever ikke en boringsinstallasjonsoperasjon.

Innløpet er fortrinnsvis et tangentielt innløp for derved å bringe fluidet til å sirkulere gjennom hovedboringen.

Fortrinnsvis er strømningsarealet til hovedboringsdiameteren minst to ganger strømningsarealet til innløpsboringen for å tillate etablering av en stabil rota-sjonsstrømning.

Utløpet for det tyngste fluidet er fortrinnsvis tangensialt til hovedboringen i strømningsretningen og fra en nedre, ytre seksjon av hovedboringen.

Utløpet for det letteste fluidet er fortrinnsvis tangentielt til hovedboringen i strømningsretningen og fra en øvre, indre seksjon av hovedboringen.

Separatoren omfatter fortrinnsvis videre en ytterligere første rørformet boring anbrakt under og i fluidkommunikasjon med utløpet for det tyngste fluidet, idet den første ytterligere boringen forårsaker ytterligere separasjon av strømningen i lettere og tyngre fluider og har et utløp for hvert av de lettere og tyngre fluidene.

Separatoren omfatter videre fortrinnsvis en annen rørformet boring plassert over og tangentielt i fluidkommunikasjon med utløpet for det letteste fluidet, idet den andre ytterligere boringen forårsaker ytterligere separasjon av strømningen i lettere og tyngre fluider og har et utløp for hvert av de lettere og tyngre fluidene.

Innløpet til den ytterligere boringen er fortrinnsvis tangentielt.

Separatoren omfatter fortrinnsvis videre en spiralledning forbundet med minst ett av utløpene, idet ledningen eller ledningene har en mindre strømnings-diameter enn noen av de ringformede rørboringene, for derved å øke fluidhastigheten for å muliggjøre ytterligere separasjon av fluidene i de ønskede fasene.

Spiralledningen er fortrinnsvis en spiralformet spole med parallelle sideveg-ger med samme spolediameter som spiralspolen ovenfor for å tillate strømningen å stabilisere seg.

Hver ledning definerer fortrinnsvis en omhylling, der i det minste en del av omhyllingen er avskrådd slik at diametrene til påfølgende sløyfer av ledningen blir redusert.

Fortrinnsvis blir boringsdiameteren til ledningen redusert i strømningsretnin-gen gjennom ledningen.

Fortrinnsvis øker helningsvinkelen til rørene i spiralspolen i forhold til den ringformede boringen eller de ringformede boringene etter hvert som fluidet strøm-mer gjennom ledningen for å dirigere hver ledning inn i en rørformet boring.

Separatoren omfatter videre fortrinnsvis en eller flere utløp fra spiralen for å muliggjøre den ytterligere separasjon av lettere og tyngre fluider.

Separatoren omfatter videre en eller flere drenerings- og eller ventilerings-ledninger fra hver ledning inn i en rørformet boring.

Drenerings- og/eller ventilerings-ledningene munner tangentielt ut i ledningen eller ledningene og i strømningsretningen for å samle opp den nødvendige fasen.

Separatoren omfatter fortrinnsvis videre et utløp for faststoffslam.

Den eller de ringformede rørboringene er fortrinnsvis sirkulære.

Eksempler på foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegningene, hvor: fig. 1 er en skjematisk tverrsnittsskisse som viser et system hvor separatoren ifølge foreliggende oppfinnelse kan brukes;

fig. 2 viser et langsgående tverrsnitt gjennom et eksempel på foreliggende oppfinnelse;

fig. 3 viser et langsgående tverrsnitt gjennom et annet eksempel på foreliggende oppfinnelse;

fig. 4 er et langsgående tverrsnitt gjennom et tredje eksempel på foreliggende oppfinnelse;

fig. 5 er et planriss i tverrsnitt under linjen 1-1 på fig. 3 og 4;

fig. 6 er et planriss i tverrsnitt under linjen 2-2 på fig. 3 og 4;

fig. 7 er et planriss av den øvre sløyfen i spiralledningene, under linjen 3-3 på fig. 2-4;

fig. 8 er et planriss i tverrsnitt gjennom sløyfen i ledningen under linjen 4-4 på fig. 2-4; og

fig. 9 er et planriss i tverrsnitt gjennom sløyfen til ledningen under linjen 5-5 på fig. 2-4.

Flertrinnsseparatoren, som er vist på fig. 1 og som er beskrevet i vår euro-peiske patentsøknad inngitt på samme dag som foreliggende søknad (fullmektig-enes ref.: MJB07059EP), har en gass/væske-fasedeler 1, en toroidal separator 2 og en vertikal separator 3 som kan maksimalisere strømningshastigheten og oppfylle kravene til brudd- og sammenklappings-trykk. Alle tre trinnene har evne til å fjerne restfaststoffer som kan være i det innledende flerfasestrømningsinnløpet 4. To nivåsensorer 6, 7 gir en enkel dobbeltnivå-avfølingsmetode for å bidra til å styre separasjonsprosessen ved å sikre at akseptable nivåer for de enkelte fasene med gass, olje og vann kan oppnås gjennom separasjonen.

Gass/væske-fasedeleren 1 er forsynt med en virvelkappe 70 og en virvel-bryter 71. Den vertikale separatoren 3 er forsynt med en virvelring 72 og et antall virvelplater eller skjørt 73. Formålet med hver av disse gjenstandene er å hindre at det inntreffer koning eller at det dannes en virvel. Dette inntreffer når et fluid er separert i to tydeligere faser, enten i forskjellige lag i et "stående" eller pluggstrømnings-miljø, eller i sylindriske eller koniske grenser i et roterende miljø. I dette tilfelle er det en tendens til at det blir dannet et lavtrykksområde når en fase trekkes ut. Når denne trykkdifferansen øker, blir grenselaget mellom de to fasene trukket ned eller opp og et gjennombrudd vil sannsynligvis inntreffe, og en slik forekomst er uønsket.

Selv om den annen trinns toroidale separator 2 på fig. 1 er vist med et par ringformede boringer 8, 9, kan foreliggende oppfinnelse i virkeligheten brukes når bare en eneste ringformet boring er brukt, eller også når tre eller flere ringformede boringer blir brukt.

Et eksempel på foreliggende oppfinnelse som benytter en enkelt ringformet flerfaseboring er vist på fig. 2, hvor en rørformet boring som kan håndtere strøm-ningshastigheten, sprengnings- og sammenklappings-trykkene er i form av en horisontal ring og er anordnet for å motta flerfasestrømning gjennom et innløp 11. Diameteren til boringen er avhengig av strømningshastigheten og sprengnings- og sammenklappings-trykkene, og har typisk en diameter på fra 300-1000 mm. Når strømningen kommer inn i boringen 10, beveger den seg med høy hastighet på en turbulent måte opp til 10 m/s. Flerfasestrømningen kommer inn i boringen 10 via et spesielt innløp 11 med utformet diameter som er fortrinnsvis tangensial, og på den ytre omkretsen til boringen 10, for derved å forårsake en jet-virkning som bidrar til å redusere og opprettholde strømningshastigheten mellom 2-3 m/s i boringen 10. Ved å bruke en boring 10 med større diameter enn boringen til innløpet 11, er den aktuelle dimensjonen avhengig av strømningshastighet og konstruksjonskrav, idet dette gir et lavt skjærspenningsareal som gjør det mulig for fluidet å stabilisere seg og få fasene til delvis å koalescere.

Den sirkulære strømningen som induseres i flerfasefluidet, gjør at tyngre fluider og eventuelle faststoffpartikler i strømningen beveges til den ytre omkretsen av boringen 10, med de lettere fluidene på den indre omkretsen av boringen 10. Ettersom boringen 10 er montert horisontalt, trekker gravitasjonsvirkninger de tyngste stoffene mot den nedre ytre del av boringen 10, og dette resulterer i at de lettere fluidene beveger seg i den indre, øvre del av boringen 10.

Utløpsledninger 12 og 13 er anordnet for henholdsvis de tunge fluidene og de lettere fluidene. Utgangsledningen 12 er tangensial til den nedre omkretsen av boringen 10 og er montert på den undre, nedre delen av boringen 10. Utgangsledningen 13 for de lettere fluidene er montert tangensialt til den indre, øvre del av boringen 10. Plasseringen av utløpene er selvsagt avhengig av det fluid som ven-tes å bli mottatt, og derfor kan plasseringen av forbindelsene til utgangsledningene endres uten å påvirke oppfinnelsens virkemåte.

Separatoren er inndelt i tre sammenlenkede områder, en øvre gassek-

sjon 14, en sentral flerfasevæske-seksjon 15 og en nedre vannseksjon 16.1 dette eksempel omfatter flerfasestrømningen gjennom innløpet 11 gass, olje, vann og faststoffer, og separasjonen i boringen 10 tillater våt gass, som hovedsakelig er gass, men innfanget i væske, å unnslippe gjennom utløpsledningen 13. Faststoffer, olje, vann og litt innfanget gass kommer ut gjennom utløpsledningen 12.

Våtgassen beveger seg oppover gjennom gasseksjonen 14 ved hjelp av en spiralledning 17. Væsken i våtgassen blir tvunget mot den ytre veggen av lednin gen 17 og blir samlet opp. Ved visse punkter i den ytre veggen er det anordnet væskefeller 18 med spesielt utformede diametre og tilsvarende dreneringsrør 19, enten individuelt eller felles som vist, slik at eventuell væske som er blitt separert fra gasstrømningen, blir dirigert tilbake inn i den sentrale flerfasevæske-seksjonen 15.

Flerfasefluidet som inneholder innfanget gass, som kommer ut gjennom ut-løpsledningen 12, passerer inn i den sentrale seksjonen 15 og inn i en spiralledning 20. Når væsken beveger seg i spiralform nedover gjennom ledningen 20, blir eventuell innfanget gass separert til den indre del av boringen og blir utskilt via ut-løpsledninger 21 med spesielt utformede diametre for å styre strømningen i forhold til de andre utløpsledningene, og blir matet individuelt eller felles som vist, inn i utløpsledningen 13 for våtgass for ytterligere separasjon i gasseksjonen 14. Videre ned gjennom den sentrale seksjonen 15 er det oljen som beveger seg til den indre, øvre del av ledningen 20, og vannet separeres til den ytre, nedre del av ledningen 20.1 et hovedsakelig vannbasert fluid, blir oljen oppsamlet via utløpslednin-ger 22 med spesielt utformede diametre og matet inn i en felles oljeforsynings-ledning 23.

Videre gjennom spiralledningen 20 som fluidet passerer, er den største andelen av strømningen vann inntil, ved den nedre seksjonen, den nødvendige grad av separasjon er blitt nådd hvor andelen olje er blitt separert fra, og har vann som hovedkomponenten som mates ut gjennom vannforsyningsledningen 24. Kvaliteten av undersjøisk separasjon må oppfylle spesifikasjonene for pumpeinntaket og produksjon og/eller reinjisering og behøver derfor ingen høy grad av faserenhet sammenlignet med det som er nødvendig for utslipp i miljøet. Hvis høyere separa-sjonsnivåer er nødvendig, kan fasene underkastes ytterligere separasjon ved bruk av en annen eller en tredje spole.

I den nedre seksjonen 16 av separatoren, er den nedre, ytre delen av boringen det område hvor de uønskede faststoffene samles opp, og disse blir fjernet via dreneringsledninger 25 inn i en faststoff-utløpsledning 26.

Detaljene ved utløpsledningene er beskrevet mer detaljert under henvisning til fig. 5-9.

Ytterligere eksempler på foreliggende oppfinnelse er vist på fig. 3 og 4, og disse er henholdsvis dobbelt- og trippel-stabelsystemer. I dobbeltstapelsystemet er en ytterligere ringformet gassboring 30 benyttet når det har vært en tidligere separasjon av gass fra flerfasestrømmen ekvivalent med flerfaseboringen 10, slik at det er en uavhengig forsyning 31 av våtgass som bare krever at den inneslutt-ede væsken blir separert bort. Væskeboringen 40 blir så forsynt med en flerfase-strømning hvor, selv om hoveddelen av gassen er blitt fjernet, en liten andel av gassen fremdeles er innfanget i væsken, og blir separert som beskrevet under henvisning til fig. 2. Olje- og vann-separasjonen er også den samme som beskrevet foran.

Trippelstakksystemet som er vist på fig. 4 med en tredje ringformet bor-

ing 40 for væske, er tilveiebrakt, og denne blir forsynt av utgangsledningen 12 fra hovedflerfaseboringen 10, og den ringformede boringen 30 blir forsynt fra utgangsledningen 13 fra boringen 10. Selve separasjonen blir utført på nøyaktig samme måte som beskrevet tidligere. Trippelstakksystemet på fig. 4 vil mest sannsynlig bli brukt i situasjoner hvor ingen tidligere separasjon av flerfasefluid har funnet sted og hvor større strømningshastigheter skal rommes.

I hvert av de tre foregående eksemplene tillater drenerings- og ventilerings-ledningene med spesielt utformede diametre for å kontrollere strømningen i forhold til de andre ledningene, at den innfangede væsken eller gassen fra gass-eller væske-strømningene å bli returnert til den riktige seksjonen for ytterligere separasjon, og med hensyn til gasseksjonen 14, kommer væskedreneringsrørene ut av spiralen ved forskjellige nivåer og blir koplet til enten en eneste eller en felles returledning som vist, og kommer inn i væskeseparasjonsseksjonen godt under gass/olje-nivået.

Ved å bruke denne løsningen med ledninger med spesielt utformet diameter, kan eventuelle trykkfall i gasspiralen forårsake at fluid blir trukket opp, noe som vil bli forhindret av differensialeffekten til væsketrykket. Dette er viktig for å hindre at strømningsrørene skaper en kortslutning for gasstrømningen og tillater en gasstrømning som ikke er underkastet rotasjonsmessig separasjonskraft.

En lignende løsning gjelder væskespiralen hvor strømningsledningene for gassventilasjon må komme inn i gasseparasjonsseksjonen godt over gass/olje-nivået. Dette hindrer at væske blir trukket opp mot det hydrostatiske trykket.

Fasene kommer ut gjennom ledninger for gassen 27 og vannet 24 fra de respektive spiralene ved henholdsvis toppen og bunnen av separatoren, forder- ved å sikre at en maksimal separasjonsavstand med disse finnes enten ved toppen eller bunnen av deres fasesone. Dette synes naturlig og hindrer eventuell u-tidig overføring av andre faser. Oljeuttaket 23 bør komme ut omtrent ved midten til den øvre seksjon av oljesonen mellom gass/olje-nivået og olje/van n-n i vået. Dette sikrer igjen en maksimal naturlig strømning for derved å minimalisere eventuell uaktsom overføring av vann eller gass.

Under visse forhold kan det være en lav andel av en viss fase, og derfor, for å opprettholde en effektiv strømning i systemet, er det nødvendig å reinjisere fluider. Dette kan være gass, olje eller vann, og disse blir levert gjennom henholdsvis innløpsledninger 50, 51 og 52. Den injiserte strømningen tilfører ytterligere energi til de sirkulerende fluidene. Dette er spesielt gunstig når det er en betydelig mengde med faststoffer i separatoren som krever å bli drevet gjennom til punktene for fjerning av faststoffer. Under rensing av separatorene kan en vaskevæske inji-seres gjennom injeksjonsledningene 50, 51, 52. Det kan også være nødvendig å injisere visse kjemikalier, f.eks. for å hindre hydrater eller for å hindre korrosjon, og disse kan også tilsettes separatoren via disse injeksjonsledningene.

På fig. 2 og 4 kommer flerfasehovedstrømningen inn i en ringformet boring 10. Fig. 3 viser en konfigurasjon hvor fri gass allerede er blitt avdelt fra fler-fasehovedstrømningen, idet den fjernede gassen blir dirigert inn i en ringformet boring 30. På fig. 2 og 4 blir denne gassen fjernet fra den ringformede boringen 10 ved hjelp av en utgangsledning 13 for våtgass som kommer ut fra den øvre og indre del av boringen 10. På fig. 2 og 4 kommer væske ut gjennom en boring 10 gjennom en tangensial boring 12 som danner en vinkel med bunnen av boringen 10. På fig. 3 og 4 kommer våtgassen inn i den ringformede våtgass-boringen 30.

Det vises til planrisset av den ringformede boringen 30 som er vist på fig. 5, hvor det kan ses hvordan boringen 13 har gassutløpsledningen 24 som kommer ut fra den øvre og indre del av boringen 30. Væskedreneringsledningene 19 er anordnet slik at de kommer ut tangensialt fra den nedre ytre fjerdedel av borin-

gen 30. Grunnen til dette er gravitasjonsvirkningen på væsken som strømmer omkring den ytre omkretsen av boringen og evnen til å drenere bort eventuelle mate-rialer som er oppsamlet i bunnen av boringen.

Gassventilasjonsrørene 21 overfører gass fra den nedre del av separatoren med innføringer 28 oppstrøms for den tangensiale gassinnføringen. Dette er vist på fig. 3 og 4. Et planriss av den ringformede væskehovedboringen 40 på fig. 3 og 4, mottar hovedsakelig væske, men med noe innfanget gass gjennom innføringen 11, som vist på fig. 6.

Fig. 6 viser en væskespole hvor væskehovedutløpet 25 forlater boringen 40 i en vinkel fra bunnen av boringen. Gassventilasjonsledninger 21 kommer tangensialt fra den øvre, indre fjerdedel av ringboringen 40. Denne konfigurasjonen innfanger gass i den øvre del av boringen når rotasjonshastigheten er treg. Når det er en rimelig rotasjon over 0,5 m/s, har væsken en tendens til å oppta den ytre halv-delen av ringen for derved å tvinge eventuell gass til den indre omkretsen av boringen. Returrør 19 fra gasspiralen 14 kommer inn i lavtrykkssonen tangensialt ved den bakre innsideomkretsen til den toroidale boringen 40.

Hovedutløpet fra enten en gass- eller væske-spiral blir koplet til en kveilet rørspiral. Den minste diameteren til spiralen forårsaker en hastighetsøkning sammenlignet med hastigheten i den ringformede boringen 30 eller 40, for derved å øke rotasjonskraften. En separasjonssone 15 med parallelle eller rettsidet opp-kveilingsrørspiral blir anbefalt som en seksjon for å tillate stabilisering av strøm-ningen. Dette muliggjør eventuell overføring av den tidligere fraseparerte fasen å bli fjernet i ventileringsledninger 21.

Etter den rette rørspolen, kan spolen avskrås innover for hver separasjons-seksjon 14 og 15 for å forårsake en større rotasjonskraft på det gjenværende fluidet. Et planriss av gasspiralen er vist på fig. 7.1 en gasspiral er det anordnet væs-kedreneringsrør 18 tangensialt og som heller nedover fra det ytre bunnsegmentet. Disse utløpene innfanger eventuell væskestrømning i gasspiralboringen 17 forut for gassutløpet 27 som løper inn i fuktfjernings-skilleplatene 61 i fuktfjerningsen-heten 60 (fig. 1).

Fig. 8 er et planriss i snitt gjennom væskespiralen. I den parallelle seksjonen av væskespiralen kommer gassventilasjonsrør 21 tangensialt ut og skråner oppover fra innsiden av den øvre fjerdedel av boringen 20. For å fraseparere forskjellige væsker, bør den avskrådde spiralrørseksjonen av separasjonssonen 16 være utformet med en preferanse for hovedvæsken. For en hovedsakelig vann basert strømning fortsetter vannet å strømme ned i spiralen 20, mens olje også strømmer ned og dannes i den øvre, indre kvadrant av vannspiralboringen 20.

Fig. 9 er et planriss i snitt gjennom begynnelsen av separasjonssonen 16. Oljestrømningsrør 22 kommer ut fra spiralboringen tangensialt og heller oppover fra den indre, øvre fjerdedel av boringen 20. Hvis den dominerende væsken er olje, så bør vannuttaksrørene innsettes i det ytre, nedre segment av spiralboringen. På denne måten vil sand og formasjonsrester også være i vannet, noe som krever en enhet for fjerning av faststoffer lenger ned langs vannledningen.

Ved å ta spiralkonseptet til hovedsakelig å håndtere vann, muliggjør dette bruk av et annet sett av utløp 25 fra den vannholdige, avskrådde spiralseksjo-nen 16 for sand og formasjonsrest-fjerning i form av et slam, ved å bruke de ytre, nedre kvadrantutløpene med fallende tangensial tilkopling som fører til en ledning 26 for fjerning av faststoffer.

Graden av og nivået av separasjon av enten gass- eller vann-fasene er avhengig av antallet spiraler i henholdsvis separasjonssonen 14 og 16. Kvaliteten av den separerte oljen er likeledes avhengig av antallet spiraler i seksjon 15. Fordi olje finnes i den midtre separasjonsseksjonen 15, inneholder den fremdeles små mengder med innfanget gass og vann. Disse kan fjernes ved å føre det nå begrensede volumet med olje, sammenlignet med det opprinnelige flerfasevolumet, inn i en vertikal oljeseparator 3 (fig. 1) eller inn i en annen ringseparasjonsenhet.

Strømningen av gass fra 27, vannet i ledningen 24 og oljen fra systemet i forhold til den inngående flerfasestrømmen, må reguleres for å sikre at gass/olje-nivået 62 og olje/van n-n i vået 63 forblir forholdsvis konstant. Dette blir oppnådd ved bruk av strømningsreguleringsenheter (ikke vist) på ledningene 4, 64, 65 og 66 (fig. 1) som mottar den riktige informasjonen fra nivåsensorenhetene 6 og 7.

Claims (16)

1. Separator (2,3) for å separere et flerfasefluid, karakterisert vedat separatoren omfatter: et innløp (11) for et flerfasefluid; et antall utløp (12, 25,13,27), hvorav minst ett utløp for hver valgte separerte fase; en ringformet hovedrørboring (10) i fluidkommunikasjon med innløpet (11) og utløpene (12, 25, 13, 27), og gjennom hvilken flerfasefluidet blir brakt til å strømme og til å bli separert i lettere og tyngre fluider, idet boringen (10) har et utløp (13, 27,12, 25) for hvert av de lettere og tyngre fluidene; hvor utløpet (12, 25) for det tyngre fluidet er tangensialt til hovedboringen i strømningsretningen og fra en nedre, ytre seksjon av hovedboringen; og hvor utløpet (13, 27) for det lettere fluidet er tangensialt til hovedboringen i strømningsretningen, og fra en øvre, indre seksjon av hovedboringen.

2. Separator ifølge krav 1, hvor innløpet (11) er en tangensial innføring for derved å få fluidet til å sirkulere gjennom hovedboringen (10).

3. Separator ifølge enten krav 1 eller krav 2, hvor strømningsarealet til hovedboringsdiameteren (10) er minst to ganger strømningsarealet til innløps-boringen (11) for å oppnå opprettelse av en stabil roterende strømning.

4. Separator (2, 3) ifølge kravene 1 til 3, videre omfattende en første ytterligere rørformet boring (30) anordnet under, og i fluidkommunikasjon med, ut-løpet (12,25) for det tyngste fluidet, hvor den første ytterligere boringen (30) forårsaker ytterligere separasjon av strømningen i lettere og tyngre fluider og har et utløp (27, 13, 25)for hvert av de lettere og tyngre fluidene.

5. Separator (2, 3) ifølge et av de foregående krav, videre omfattende en annen ytterligere rørformet boring (40) anordnet over, og tangensialt i fluidkommunikasjon med, utløpet (13, 27) for det letteste fluidet, hvor den andre ytterligere boringen (40) forårsaker ytterligere separasjon av strømningen i lettere og tyngre fluider og har et utløp for hvert av de lettere og tyngre fluidene.

6. Separator (2, 3) ifølge et av kravene 4 eller 5, hvor innløpet (11) inn i den ytterligere boringen (40) er tangensial.

7. Separator (2, 3) ifølge et av de foregående krav, videre omfattende en spiralledning (17, 20) koplet til minst ett av utløpene, hvor utløpet eller utløpene har en mindre strømningsdiameter enn noen av de ringformede rørboringene, for derved å øke fluidhastigheten for å muliggjøre ytterligere separasjon av fluidene i de ønskede fasene.

8. Separator (2, 3) ifølge krav 7, hvor spiralledningen (17, 20) er en spiralformet spole med parallelle sider som har den samme spolediameter som spiralspolen overfor å gjøre det mulig å stabilisere strømningen.

9. Separator (2, 3) ifølge krav 7 eller krav 8, hvor hver ledning definerer en omhylling, der i det minste en del av omhyllingen er avskrådd slik at diameteren til de påfølgende sløyfene i ledningen er redusert.

10. Separator (2, 3) ifølge et av kravene 7-8, hvor boringsdiameteren til ledningen blir redusert i strømningsretningen gjennom denne.

11. Separator (2, 3) i følge et av kravene 7-8, hvor helningsvinkelen til rørene i spiralen i forhold til den ringformede boringen eller de ringformede boringene øker når fluidet strømmer gjennom ledningen for å regulere strømningen i forhold til den tidligere seksjonen.

12. Separator (2, 3) ifølge et av kravene 7-8, videre omfattende ett eller flere ut-løp fra spiralen for å muliggjøre ytterligere separasjon av lettere og tyngre fluider.

13. Separator (2, 3) ifølge et av kravene 7-12, videre omfattende en eller flere drenerings- og/eller ventilerings-ledninger (21) fra hver ledning inn i en rørformet boring.

14. Separator (2, 3) ifølge krav 13, hvor drenerings- og/eller ventilerings-ledningene (21) føres tangensialt ut i en eller flere ledninger og i strømningsret-ningen for å samle opp den ønskede fasen.

15. Separator (2, 3) ifølge et av de foregående krav, videre omfattende et ut-løp (25) for faststoffslam.

16. Separator (2, 3) ifølge et av de foregående krav, hvor den ene eller de flere ringformede boringene (10, 30, 40) er sirkulære.