NO335469B1

NO335469B1 - Pumpesystem for vanninjeksjon ved høyt trykk

Info

Publication number: NO335469B1
Application number: NO20111320A
Authority: NO
Inventors: Audun Grynning; Tom Erik Dahl
Original assignee: Aker Subsea As
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2014-12-15
Also published as: NO20140542A1; NO20111320A1; US20140241907A1; BR112014007750A2; GB2509265A; GB201404556D0; WO2013048256A1

Abstract

Oppfinnelsen tilveiebringer et pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon, som vil være omfattet av minst to enheter med vanninjeksjonspumper koplet i serie, hvor hver pumpeenhet vil omfatte en motor i et motorrom som vil være operativt koplet for å kunne drifte en pumpe i et pumperom, særpreget ved at motorrommet for i det minste de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten vil være dimensjonert i henhold til en lavere trykklasse enn det operativt tilkoplede pumperommet. Fremgangsmåte for å anordne nevnte system og anvendelse av nevnte system.

Description

PUMPESYSTEM FOR VANNINJEKSON VED HØYT TRYKK

Område for oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen gjelder vanninjeksjon i undergrunns reservoarer under vann, såsom for å stimulere produksjon fra et reservoar som inneholder petroleum.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere teknikk

Vanninjeksjon for å stimulere produksjon fra et petroleumsreservoar skjer ved å pumpe vann med høyt trykk ned i injeksjonsbrønner. Høytrykksvannet blir pumpet inn i det reservoaret, eller i den formasjonen som er i fluidkommunikasjon med reservoaret. Dermed vil reservoartrykket kunne bli opprettholdt, og petroleum vil kunne migrere mot produksjonsbrønnene.

For å kunne få et tilstrekkelig trykk fra undervannspumper vil et antall pumper kunne bli anordnet i serie. Imidlertid vil trykket øke for hver pumpeenhet, og etterfølgende pumpeenheter vil da bli eksponert for det fullstendige trykket fra oppstrøms pumpetrinn, der trykket vil ha øket for hvert pumpetrinn eller for hver pumpeenhet. Hvert pumpetrinn eller hver pumpeenhet vil omfatte en motor og en pumpe som vil være koplet sammen inne i et hus.

En typisk vurdering for utforming, drift og vedlikehold vil være å ha én type pumpeenhet i alle trinnene. Trykkhuset må velges slik at det siste pumpetrinnet, eller det maksimale trykket som pumpene vil bli eksponert for, vil styre valget. Følgelig vil alle pumpeenheter kunne ha det samme trykkhuset, som vil kunne føre til tunge og kostbare pumpeenheter, men byr på forenklinger med hensyn til lagring av reservedeler og vedlikehold.

Alternativt vil klassifiseringen av trykkhus kunne øke for hvert pumpetrinn, men dette vil ha den virkning at pumpeenhetene med en lavere klassifisering for trykkhus ikke vil kunne byttes ut med pumpeenheter som har en høyere klassifisering for trykkhus.

Virkningen vil enten bli at pumpesystemet i samlet vekt vil kunne veie flerfoldig tonn mer enn det som ville ha vært nødvendig og vil komme til å koste millioner i overkant, eller at millioner i overkant vil måtte brukes på ekstra reservedeler. Det foreligger derved et behov for et pumpesystem som ikke vil ha slike ulemper som nevnt ovenfor.

Den nærmestliggende teknikk i forhold til den foreliggende oppfinnelse er funnet å være representert av patentpublikasjonene US 2007200438 A1, WO 0073621 A1, GB 2453093 B, WO 03071139 A1 og US 6422822 B1.

Oppsummering av oppfinnelsen

Dette behovet vil kunne bli imøtekommet med den foreliggende oppfinnelsen.

Mer spesifikt, oppfinnelsen vil tilveiebringe et pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon, som vil være omfattet av minst to enheter med vanninjeksjonspumper koplet i serie, der hver pumpeenhet vil omfatte en motor i et motorrom som vil være operativt koplet for å drifte en pumpe i et pumperom. Pumpesystemet er særpreget ved at i det minste de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten vil være omfattet av et strupningskammer som er anordnet mellom pumperommet og motorrommet, en lekkasjetetning anordnet mellom pumperommet og motorrommet, hvor strupningskammeret har et utløp, og der motorrommet for i det minste de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten vil være dimensjonert i henhold til en lavere trykklasse enn det operativt tilkoblede pumperommet.

Uttrykket høytrykksvanninjeksjonssystem betyr at minst to pumper for vanninjeksjon må bli anordnet i serie for å kunne oppnå det ønskede trykket.

For de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten vil motorrommets trykkhus fortrinnsvis være dimensjonert for det samme trykket som er for trykkhuset til den første pumpen. Mer foretrukket, alle trykkhus for motorrom vil være dimensjonert for den samme trykklassen. Effekten av dette vil være trykkhuset eller trykkskallet for pumperommene vil kunne bli tynnere og være lettere, og at dessuten vil tilhørende utstyr, så som penetratorer, sensorer og flenser, kunne bli dimensjonert for et lavere differensialtrykk.

For de pumpene som kommer etter den første pumpeenheten vil motorrommets trykkhus fortrinnsvis være dimensjonert for det samme trykket som vil være for trykkhuset til den første pumpen (avhengig av det maksimale tilførselstrykket for motorens system med barrierefluid, vil dette kunne være høyere enn pumpens sugetrykk). Dersom innløpstrykket for den første pumpen er det samme som trykket fra det omgivende sjøvannet, eller noe mindre enn dette (avhengig av rørledninger og eventuell potensiell vannbehandlingsfasilitet oppstrøms for injeksjonspumpene), det vil si at innløpet vil være rått eller behandlet sjøvann, vil den samme klassen for overtrykk i trykkhuset til motorrommet fortrinnsvis bli valgt for alle motorromshus. Nevnte overtrykk vil typisk kunne være 10-20 bar overtrykk ved drift, men trykklassifiseringen for motorrommet bør kunne være lik det maksimale tilførselstrykket for barrierefluidssystemet, som typisk vil ligge på omtrent 50-100 bar over trykket som er i et strupningskammer, slik som vil bli beskrevet nedenfor.

I en foretrukket utførelsesform vil en lekkasjetetning kunne bli anordnet mellom pumperommets hus og et strupningskammer, strupningskammeret vil være for hver pumpeenhet som kommer etter den første pumpeenheten anordnet mellom pumpen og motorrommene, og hvert strupningskammer vil være koplet til en lekkasjeledning som vil være forbundet med innløpsledningen for den første pumpen. Mer foretrukket, en lekkasjetetning vil være anordnet mellom pumperommets hus og et strupningskammer, strupningskammeret vil være for hver pumpeenhet anordnet mellom pumpen og motorrommene, og hvert strupningskammer vil være koplet til en lekkasjeledning som vil være forbundet med innløpsledningen for den første pumpen. For noen utførelsesformer, fortrinnsvis utførelsesformer som benytter rått sjøvann eller behandlet sjøvann som injeksjonsvann, viljekkasjeledningen bli sløyfet og den strømmen som blir lekket ut til strupningskammeret vil bli sluppet ut til sjøen.

Mer spesifikt, hvert strupningskammer vil kunne innbefatte en strupningstetning i en skillevegg mot pumperommet, strupningstetningen vil kunne være en labyrinttetning eller en hvilken som helst type mekanisk tetning som har en strupnings- eller lekkasjeeffekt, så som en fjærbelastet mekanisk tetning hvor fjæren vil kunne justere lekkasjeåpningen, fortrinnsvis en regulert eller en justérbar strupningseffekt, og en mer fluidtett mekanisk tetning (svært liten lekkasje, typisk noen få liter per dag ved normal drift) vil kunne bli anordnet i skilleveggen mellom hvert strupningskammer og motorrom. Den fluidtette tetningen mellom strupningskammeret og motorrommet vil fortrinnsvis kunne bli koplet til et barrierefluidsystem ved et trykk som vil være det samme som eller høyere enn det trykket som vil være i strupningskammeret. Barrierefluidtrykket i motoren vil kunne bli styrt av en trykk - volum regulator (PVR).

I en foretrukket utførelsesform vil sjøvann kunne bli brukt som kjølemedium for motoren, der sjøvannet vil kunne bli tilveiebrakt av minst én separat kjølepumpe for sjøvann, og som har blitt anordnet for å pumpe sjøvann gjennom motorrommene. Enda mer foretrukket, sjøvann vil kunne bli brukt som kjølemedium for motoren, tilveiebrakt av injeksjonsvannet for å kjøle ned lekkasjen gjennom en strupning eller lekkasjetetning anordnet i skilleveggen mellom pumpen og motorrommene, nevnte tetning vil kunne være en labyrinttetning eller en hvilken som helst type mekanisk tetning som har en strupnings- eller lekkasjeeffekt, så som en fjærbelastet mekanisk tetning, fortrinnsvis vil lekkasjetetningsraten være proporsjonal med det som vil være krevet av motorkjølingen. En fullstendig isolert motor vil være avgjørende for påliteligheten for de utførelsesformene som benytter sjøvann eller injeksjonsvann som kjølemedium. Isolasjonsmaterialer, så som kryssforbundet polyetylen XLPE, eller PEEK eller noe annet, vil kunne bli brukt. For de utførelsesformene som pumper inn sjøvann til bruk som kjølemiddel i motoren vil skovlene på sjøvannmotoren fortrinnsvis være anordnet på motorakslingen. Typiske trykklasser for pumperom vil kunne være 5000 psi (345 bar), 10000 psi (690 bar), 150000 psi (1035 bar) og 20000 psi (1380 bar). Typiske trykklasser for motorrommet vil være betydelig lavere, for eksempel 100 bar eller mindre.

Oppfinnelsen vil også tilveiebringe en fremgangsmåte for å kunne anordne et pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon, som omfatter minst to pumpeenheter for vanninjeksjon koplet i serie, hvor hver pumpeenhet vil være omfattet av en motor i et motorrom som er operativt koplet for å kunne drifte en pumpe i et pumperom. Fremgangsmåten vil være særpreget ved at motorrommet for minst de pumpeenhetene som følger etter den første pumpeenheten vil være dimensjonert i henhold til en lavere trykklasse enn det operativt tilkoblede pumperommet, mer foretrukket vil motorrommets trykkhus for pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten være dimensjonert for det samme trykket som er i trykkhuset for den første pumpen, mest foretrukket vil alle trykkhus for motorrom være dimensjonert for den samme trykklassen.

I tillegg vil oppfinnelsen tilveiebringe en anvendelse av pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til oppfinnelsen, for injeksjon av vann ved høyt trykk inn i et undergrunns reservoar under vann.

Figurer

Oppfinnelsen har blitt illustrert med sju figurer, hvorav:

Figurer 1 a og 1 b illustrerer utførelsesformer for et pumpesystem i henhold til oppfinnelsen, med pumpeenheter som ikke vil være identiske, Figurer 2 a og 2 b illustrerer utførelsesformer av et pumpesystem i henhold til oppfinnelsen, med pumpeenheter som vil være identiske, Figurer 3 a, 3 b, 3 c og 3 d illustrerer utførelsesformer for et pumpesystem i henhold til oppfinnelsen, og som bruker sjøvann eller injeksjonsvann som kjølemedium.

Detaljert beskrivelse

Det vil bli gjort henvisning til fig. 1, som illustrerer en utførelsesform av et pumpesystem i henhold til oppfinnelsen, der den første pumpeenheten vil være forskjellig fra den andre og de etterfølgende pumpeenhetene. Mer spesifikt, den første pumpeenheten vil ikke ha noe strupningskammer, og dermed ingen strupningstetning mellom et pumperom og strupningskammer og ingen lekkasjeledning koplet til et strupningskammer. Dette vil gi en fordel av å ikke få noe tap på grunn av lekkasje i den første pumpen, og dermed en noe bedre virkningsgrad. Dessuten vil det kunne brukes en kortere og dermed en stivere aksling. På den annen side vil denne utførelsesformen ha den ulempen at operatøren da vil ha to forskjellige versjoner av pumper og vil være nødt for å ha ekstra reservedeler og prosedyrer for vedlikehold. En alternativ utførelsesform, men med en lekkasje til sjøen og derfor ingen lekkasjeledning, vil være illustrert i figur 1 b.

Det vil bli gjort henvisning til fig. 2 a, som illustrerer en utførelsesform av et pumpesystem i henhold til oppfinnelsen, der alle pumpeenhetene vil kunne være identiske. For denne utførelsesformen vil et strupningskammer være tilveiebrakt mellom pumperommet og motorrommet for alle pumpeenhetene, en lekkasjeledning vil være fra hvert strupningskammer til innløpet for det første trinnet og en strupningstetning vil være anordnet på akslingen som er mellom hvert pumperom og strupningskammer. Følgelig vil det kunne tillates en fleksibilitet og færre reservedeler, men da på bekostning av en noe lavere virkningsgrad, på grunn av den lekkasjestrømmen som er over en strupningstetning, også for førstetrinns pumpen. En alternativ utførelsesform, men med en lekkasje til sjøen og dermed ingen lekkasjeledning, vil være illustrert i figur 2 b.

Lekkasjen over strupningstetningen og lekkasjeledningen vil være dimensjonert for kunne unngå et overtrykk i strupningskammeret. Dimensjonering for lekkasjeledningen må ta hensyn til at den maksimale strømningsraten vil være proporsjonal med kvadratet av strømningshastigheten. Imidlertid vil en åpning for en avlastningsventil ved et tiltenkt trykk kunne bli anordnet i strupningskammeret.

En annen utførelsesform vil være å bruke det pumpede mediet som en strøm av kjølemiddel til motoren. I denne konfigurasjonen vil lekkasjestrømmen kunne bli rutet fra pumpen gjennom motoren og enten bli sluppet ut til sjøen (fig. 3 c), eller bli rutet tilbake til innløpet til den første pumpen for å gjenvinne det pumpede fluidet (fig. 3 d). Fordelen med denne utførelsesformen vil være at injeksjonspumpen i seg selv vil generere det nødvendige differensialtrykket over lekkasjetetningen mellom pumpe- og motorrommet. Lekkasjetetningen vil da kunne bli utformet slik at det blir oppnådd en tilstrekkelig strømningsrate for å kunne avkjøle motoren uten bruk av en ytterligere sirkulasjonsimpeller for kjølefluidet i motoren. Etter hvert som hastigheten for pumpe / motor blir øket, vil injeksjonspumpen kunne generere et økende differensialtrykk over lekkasjetetningen, og dermed strømningsraten, for å gi en tilstrekkelig kjøling av det økende motortapet ved høyere rotasjonshastigheter. Dette vil bety at den typiske karakteristikken for strømning mot trykk i lekkasjetetningen mellom pumpe- og motorrommet vil kunne bli utformet for å tilveiebringe tilstrekkelig kjølestrømning gjennom motoren ved en hvilken som helst hastighet.

I alternative utførelsesformer skulle motoren kunne bli avkjølt ved å anvende en pumpe som trekker ut sjøvann fra omgivelsene (rått sjøvann eller sjøvann som har blitt noe behandlet) eller fra det samme eller et annet vannbehandlingssystem undervann og bli sluppet tilbake til innløpsledningen (fig. 3 a) eller sluppet ut til sjøen (fig. 3 b).

Hvilke av de illustrerte utførelsesformene som skal være foretrukket i hvert tilfelle vil kunne bli estimert ved å gjøre bruk av en god praktisering av det tekniske og for beregning av kostnadene. De utførelsesformene som bruker det pumpede fluidet som kjølemiddel, injeksjonsvannet, vil ofte være den mest foretrukne utførelsesformen siden det ikke vil være påkrevet med noe barrierefluidsystem, og avkjølingen vil kunne bli justert til kjølebehovet siden tetningslekkasjeraten vil kunne bli utformet for å komme i møte for motorens behov for avkjøling. Imidlertid vil hver av utførelsesformene kunne føre til signifikante forenklinger og besparelser sammenlignet med de pumpesystemene som er av tidligere teknikk for høytrykks vanninjeksjon, siden trykklassen for deler av systemet vil kunne bli betydelig redusert, med påfølgende besparelser av vekt, kostnader, lager med reservedeler for pumpene og tilhørende utstyr så som penetratorer. Kostnadsbesparelsen vil kunne utgjøre millioner av norske kroner, og vektbesparelsen vil kunne telles i metriske tonn.

Claims

1. Pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon, som vil være omfattet av minst to enheter med vanninjeksjonspumper koplet i serie, der hver pumpeenhet vil omfatte en motor (M) i et motorrom som vil være operativt koplet for å drifte en pumpe (P) i et pumperom, karakterisert vedat i det minste de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten vil være omfattet av et strupningskammer som er anordnet mellom pumperommet og motorrommet, en lekkasjetetning anordnet mellom pumperommet og motorrommet, hvor strupningskammeret har et utløp, og der motorrommet for i det minste de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten vil være dimensjonert i henhold til en lavere trykklasse enn det operativt tilkoblede pumperommet.

2. Pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til krav 1,karakterisert vedat, for de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten, vil motorrommets trykkhus være dimensjonert for det samme trykket som vil være i trykkhuset for den første pumpen.

3. Pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til krav 1,karakterisert vedat alle trykkhus for motorrom vil være dimensjonert for den samme trykklassen.

4. Pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat hvert strupningskammer vil er koplet til en lekkasjeledning som vil være forbundet med innløpsledningen for den første pumpen.

5. Pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat en lekkasjetetning vil være anordnet mellom pumperommets hus og et strupningskammer, der strupningskammeret vil, for hver pumpeenhet som kommer etter den første pumpeenheten, være anordnet mellom pumpen og motorkamrene, og hvert strupningskammer vil være koplet til en lekkasjeledning forbundet med innløpsledningen for den første pumpen.

6. Pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til krav 4 eller 5,karakterisert vedat hvert strupningskammer innbefatter en strupningstetning i skilleveggen mot pumperommet, strupningstetningen vil være en labyrinttetning eller en hvilken som helst type mekanisk tetning som har en strupnings- eller lekkasjeeffekt, så som en fjærbelastet mekanisk tetning hvor fjæren justerer lekkasjeåpningen, fortrinnsvis en regulert eller en justerbar strupningseffekt, og en fluidtett mekanisk tetning vil være anordnet i skilleveggen mellom hvert strupningskammer og motorrom.

7. Pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat sjøvann vil bli brukt som kjølemiddel for motoren, sjøvannet vil bli tilveiebrakt ved at minst én separat kjølepumpe for sjøvann vil være anordnet for å pumpe sjøvann gjennom motorrommene, fortrinnsvis vil sjøvannspumpen bli anordnet som sjøvannspumpe impellere på motorakslingen.

8. Pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat injeksjonsvann vil bli brukt som kjølemiddel for motoren, tilveiebrakt av injeksjonsvann for kjøling som lekker ut gjennom en strupning eller en lekkasjetetning anordnet i en skillevegg mellom pumpe- og motorrommene, nevnte tetning vil kunne være en labyrinttetning eller en hvilken som helst type mekanisk tetning som har en strupnings- eller lekkasjeeffekt, så som en fjærbelastet mekanisk tetning, fortrinnsvis vil tetningslekkasjeraten være proporsjonal med kjølebehovet for motoren.

9. Pumpesystem ifølge krav 1 for høytrykks vanninjeksjon, som vil være omfattet av minst to pumpeenheter for vanninjeksjon koplet i serie, hvor hver pumpeenhet omfatter en motor i et motorrom som vil være operativt koplet for å drifte en pumpe i et pumperom, karakterisert vedat den omfatter en lekkasjetetning som er anordnet mellom pumpen og motorrommene, motorrommet har et utløp og vil bli avkjølt av det innlekkede vannet og eventuelt med tilført sjøvann, og motorrommet for i det minste de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten vil være dimensjonert i henhold til en lavere trykklasse enn det operativt tilkoblede pumperommet.

10. Fremgangsmåte for å anordne et pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon, som vil være omfattet av minst to pumpeenheter for vanninjeksjon koplet i serie, der hver pumpeenhet vil omfatte en motor i et motorrom som vil være operativt koplet for drifte en pumpe i et motorrom, karakterisert vedå anordne, for i det minste de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpen, et strupningskammer mellom pumpen og motorrommene, en lekkasjetetning mellom pumpen og strupningskammeret, og et utløp fra strupningskamrene; og dimensjonere motorrommet, for i det minst de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten, i henhold til en lavere trykklasse enn det operativt tilkoblede pumperommet, mer foretrukket vil trykkhus for motorrom til de pumpeenhetene som kommer etter den første pumpeenheten være dimensjonert for det samme trykket som vil være for trykkhuset til den første pumpen, mest foretrukket vil alle trykkhus for motorrom være dimensjonert for den samme trykklassen.

11. Anvendelse av pumpesystem for høytrykks vanninjeksjon i henhold til et hvilket som helst av krav 1-9, for injeksjon av vann ved høyt trykk inn i et undergrunnsreservoar under vann.