NO336594B1

NO336594B1 - Undervanns strømningssplitterarrangement

Info

Publication number: NO336594B1
Application number: NO20120301A
Authority: NO
Inventors: Steinar Eriksen; Lachlan Mckenzie; Marit Storvik
Original assignee: Fmc Kongsberg Subsea As
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2015-10-05
Also published as: WO2013135600A2; US9410416B2; WO2013135600A3; NO20120301A1; US20150101820A1

Description

Oppfinnelsens anvendelsesområde

Oppfinnelsen omhandler et undervannssystem omfattende en separator med et utløpsarrangement for olje/gass, for eksempel en strømningssplitter (eng. flow splitter) for splitting av en flerfase-fluidblanding av i det minste olje og gass i to eller flere strømmer med det samme blandingsforholdet.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Det er vanlig å bruke forskjellig typer undervannsutstyr slik som separatorer, pumper, kompressorer, etc. i ulike undervannsapplikasjoner. Flerfase-brønnproduksjonsfluider som omfatter en blanding av vann, olje og gass entrer separatoren gjennom et fluidinnløp og separeres gjennom et antall fluidutløp, dvs. en kroneanordning, slik som et gassutløp, et vannutløp og/eller et olje- og hydrokarbonutløp, i separatoren.

Kjent teknikk på fagområdet omfatter US 5254292 A som beskriver en anordning for å regulere og redusere fluktuasjoner i sammensetningen av en flerfasestrømning som omfatter i det minste en væskefase og en gassfase.

Det har vist seg å være en utfordring i situasjoner med ett fluidutløp fra separatoren at pumpekapasiteten til pumpen som driver flerfaseblandingen av olje og gass fra separatoren gjennom kronen må være større enn det som er tilgjengelig på markedet i dag. Det er derfor et behov for en løsning som løser problemet med tilgjengelig maksimal pumpekapasitet.

I forbindelse med undervannssystemer, eksempelvis på feltene «Tordis» eller «Marlim» på den norske kontinentalsokkelen, er det kjent å benytte undervanns strømningssplittere, slik som «T-former» eller Y-former», til splitting av en flerfase olje- og gasstrømblanding fra én rørledning inn i to strømmer i separate rørledninger. En av årsakene til å splitte blandingen kan være for å benytte mindre utstyr for håndtering av brønnstrømmen istedenfor ett stort utstyr som håndterer hele brønnstrømmen. Imidlertid, ved å benytte disse kjente strømningssplitterene kan blandingsraten av olje og gass i de ulike strømmene, separert i strømningssplitteren, være forskjellig. Dette kan skje fordi en ikke er sikker på hvordan strømningene deler seg i strømningssplitteren, ei heller strømningsregimet til strømmen før den entrer strømningssplitteren. Ettersom at dette er tilfelle, er det ofte anordnet miksere oppstrøms strømningssplitteren for å lage en mer uniform strømningsblanding ved innløpet til strømningssplitteren, og slik forsikre en likere splitting av strømmen. Dette bidrar til å øke kompleksiteten, størrelsen og prisen på systemet. Det er derfor et behov for en enklere, mer pålitelig måte for å splitte én strøm inn i to eller flere like strømmer.

Et formål ved oppfinnelsen er derfor å tilveiebringe et undervannssystem som eliminerer eller reduserer i det minste noen av ulempene som er forbundet med de kjente løsningene.

Sammendrag av oppfinnelsen

Oppfinnelsen er definert ogkarakteriserti de selvstendige kravene, mens de uselvstendige kravene beskriver andre karakteristikker ved oppfinnelsen.

Oppfinnelsen omhandler et undervannssystem omfattende en separator, separatoren omfatter;

- i det minste ett brønnstrøminnløp for en flerfase-fluidblanding av i det minste olje og gass, - et utløpsarrangement for olje/gass anordnet i en avstand fra brønnstrøminnløpet, over hvilken avstand flerfase-fluidblandingen separeres i i det minste en oljefase og en gassfase, utløpsarrangementet for olje/gass omfatter; - i det minste en konisk kroneanordning, den koniske kroneanordningen har en ytre vegg med i det minste en utsparing som strekker seg gjennom nevnte ytre vegg og forløpende fra en toppende av kroneanordningen i en avstand i den langsgående retningen til kroneanordningen, gjennom hvilke utsparinger oljen og gassen strømmer inn i kroneanordningen,

- hver kroneanordning er i fluidforbindelse med i det minste ett fluidutløp, og

- hvori utløpsarrangementet for olje/gass omfatter i det minste to fluidutløp.

Avstanden mellom brønnstrøminnløpet og utløpsarrangementet for olje/gass bør være tilstrekkelig til at flerfase-fluidblandingen separeres som et resultat av gravitasjonskrefter i to faser av olje og gass gitt de tilfeller hvor vann har blitt separert ut ved et tidligere stadium av separasjonsprosessen. Dersom flerfase-fluidblandingen som entrer separatoren inneholder vann, kan avstanden være tilstrekkelig for å separere gass, olje og vann som et resultat av gravitasjonskrefter. Da kan vannet separeres ut fra separatoren gjennom et vannutløp i den nedre delen av separatoren. Vannutløpet kan være posisjonert i en tilstrekkelig avstand for at separasjonsprosessen i en gassfase, oljefase og vannfase finner sted.

Utløpsarrangementet for olje/gass kan omfatte en kroneanordning, hvilken er en anordning for mottak og videresending av en strømningsblanding. Kroneanordningen kan være anordnet med i det minste én utsparing i den øvre delen. Kroneanordningen kan ha enhver form, slik som sirkulær, halvsirkelform etc. Den i det minst ene utsparingen strekker seg gjennom den ytre veggen til kroneanordningen. Den øvre enden av kroneanordningen er fortrinnsvis åpen over hele topparealet, men i en annen utførelse kan kun deler være åpen. Oljen og gassen strømmer inn i kroneanordningen gjennom utsparingene eller gjennom topparealet. Dersom det er to eller et flertall utsparinger i kroneanordningen, er utsparingen fortrinnsvis jevnt fordelt rundt omkretsen. Utsparingene kan ha en hovedsakelig rektangulær form, eller de kan ha hvilken som helst form slik som kvadratisk, trapesform, sirkulær, elliptisk, parallellogram, etc.

Ifølge et annet aspekt av undervannssystemet kan den minst ene utsparingen forløpe fra toppenden av kroneanordningen i en avstand, eks. nedover, i den langsgående retningen til kroneanordningen. Arealet av utsparingene i kroneanordningen strekker seg inn i både oljefasen og gassfasen. Olje- og gassfasen blandes ved utsparingene og føres gjennom de første og andre fluidutløpene. Den nedre enden av utsparingene er fortrinnsvis anordnet over vannfasen. Dette minimerer risikoen for at vann produseres sammen med olje/gass- produksjonsstrømmen gjennom utløpsarrangementet for olje/gass. Gass- og oljefasen kan entre kroneanordningen gjennom utsparingene eller ved den øvre, helt eller delvis åpne, enden av kroneanordningen.

I en utførelse av utløpsarrangementet for olje/gass, kan det være anordnet minst to kroneanordninger side-ved-side i en retning perpendikulært på den aksielle retningen til separatoren. I en annen utførelse kan de minst to kroneanordningene være anordnet perpendikulært på den aksielle retningen til separatoren. Av prosesseringsårsaker, dvs. maksimering av vannets oppholdstid i separatoren, kan det være ønskelig å anordne olje/gass - utløpet, dvs. utsparingene i kroneanordningen, så høyt opp som mulig i separatoren. Dersom to kroneanordninger er anordnet perpendikulært på den aksielle retningen til separatoren, kan det være at den maksimale høyden reduseres av geometriske hensyn.

I en utførelse av undervannssystemet omfatter den minst ene kroneanordningen i det minste ett delerelement, hvor hvert delerelement deler volumet til den koniske kroneanordningen i to hovedsakelig like subvolum, hvert subvolum er i fluidforbindelse med i det minste ett fluidutløp. Delerelementet kan separere det første fluidutløpet fra det andre fluidutløpet og ende opp i området definert av en «Y-form» hvor de første og andre fluidutløpene forgrener seg i et første rør og et andre rør, henholdsvis. Sagt på en annen måte, delerelementet er fortrinnsvis anordnet i et område definert av den øvre delen av kroneanordningen og en region hvor det første fluidutløpet og det andre fluidutløpet splittes i et separat første rør og andre rør. Det første røret og det andre røret kan i en utførelse separeres inne i separatoren. I en annen utførelse er det også mulig at det første røret og det andre røret separeres på utsiden av separatoren. Dette er selvfølgelig avhengig av de spesifikke kravene i hvert prosjekt. Det kan være anordnet et antall del erel em enter i kroneanordningene, avhengig av ønsket antall fluidutløp. Delerelementene kan være anordnet i hvilken som helst vinkel relativt den aksielle retningen til separatoren. Volumet av hvert av fluidutløpene er fortrinnsvis det samme for å sikre at strømningsfordelingen i hvert av fluidutløpene er hovedsakelig det samme.

I en utførelse av undervannssystemet kan det være anordnet minst ett gassutløp i den øvre delen av separatoren i nærheten av brønnstrøminnløpet. Et gassinjeksjonsrør kan være anordnet ved utløpsarrangementet for olje/gass. Gassen som separeres gjennom gassutløpet kan føres til en gassplitter. Gassplitteren er anordnet for å splitte gasstrømmen i to rør, ett gassproduksjonsrør og ett gassinjeksjonsrør. Alternativt kan kun gassplitteren føre gassen gjennom kun den ene av nevnte gassinjeksjonsrør eller gassproduksjonsrør. Gassproduksjonsrøret leder gasstrømmen til en produksjonsfasilitet, mens gassinjeksjonsrøret leder gasstrømmen tilbake inn i separatoren ved kroneanordningen, for miksing med oljefasen. Gassproduksjonsrøret og gassinjeksjonsrøret kan fortrinnsvis være anordnet med strømningskontrollmidler, slik som en ventil, nedstrøms gassplitteren for å styre strømmen av gass i gassproduksjonsrøret og gassinjeksjonsrøret. Alternativt kan det være at det ikke er noe gassutløp, ettersom all gassen holdes i separatoren inntil den forlater separatoren gjennom utløpsarrangementet for olje/gass.

I en utførelse av undervannssystemet kan det være anordnet minst en pumpe nedstrøms hvert fluidutløp.

Oppfinnelsen omhandler også et utløpsarrangement for olje/gass for splitting av olje og gass. Arrangementet omfatter minst en konisk kroneanordning, den koniske kroneanordningen kan ha en ytre vegg og minst en utsparing som strekker seg gjennom nevnte ytre vegg, gjennom hvilke utsparinger oljen og gassen strømmer inn i kroneanordningen, hver kroneanordning kan være i fluidkommunikasjon med minst ett fluidutløp, og hvor utløpsarrangementet for olje/gass omfatter minst to fluidutløp.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i ikke-begrensende utførelser og med referanse til de vedlagte figurene, hvor;

Kort beskrivelse av figurene

Fig. 1 viser en utførelse av separatoren og et utløpsarrangement for olje/gass ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et enderiss av utløpsarrangementet for olje/gass anordnet i separatoren. Fig. 3 viser et sideriss av utløpsarrangementet for olje/gass anordnet i separatoren.

Fig. 4 viser fordelingen av vann, olje og gass i separatoren.

Fig. 5 viser et toppriss av et utløpsarrangement for olje/gass anordnet i en separator. Fig. 6 viser en utførelse av separatoren og et utløpsarrangement for olje/gass omfattende to kroneanordninger. Fig. 7A viser et enderiss av den maksimale høyden på kroneanordningen når en benytter én kroneanordning. Fig. 7B viser et enderiss av den maksimale høyden på kroneanordningen når en anordner to kroneanordninger transversalt i separatoren.

Detaljert beskrivelse av en foretrukket utførelse

I utførelsen på fig. 1 er det vist en separator 1. Separatoren 1 er tilveiebrakt med et brønnstrøminnløp 13 for å motta strømmen av en flerfase-fluidblanding fra en brønn. Flerfase-fluidblandingen entrer separatoren 1 og separeres i to eller tre faser av vann, olje og gass. Avhengig av andelen gass i flerfaseblandingen, kan mindre eller større andeler av gassen separeres gjennom gassutløpet 9 for produksjon eller reinjeksjon ved et senere trinn i separasjonsprosessen, som vil bli beskrevet senere. Et utløpsarrangement for olje/gass 15 er anordnet i en avstand fra brønnstrøminnløpet 13 inne i separatoren. Avstanden mellom brønnstrøminnløpet 13 og utløpsarrangementet for olje/gass 15 er tilstrekkelig for at flerfase-fluidblandingen separeres som et resultat av gravitasjonskrefter, i to faser av olje og gass gitt de tilfellene hvor vann har blitt separert ut ved et tidligere stadium av separasjonsprosessen. Dersom flerfase-fluidblandingen inneholder vann, er avstanden tilstrekkelig for å separere olje og vann ved gravitasjonskrefter. Da separeres vannet ut fra separatoren gjennom et vannutløp 14 i den nedre delen av separatoren. Vannutløpet 14 er posisjonert i en tilstrekkelig avstand slik at separasjonsprosessen i en gassfase, oljefase og vannfase finner sted.

Utløpsarrangementet for olje/gass 15 omfatter minst en kroneanordning 2. En blanding av olje og gass entrer kroneanordningen 2 gjennom utsparinger 4 for videre prosessering, noe som vil bli beskrevet mer detaljert senere.

Gassen som separeres gjennom gassutløpet 9 ledes til en gassplitter 10. Gassplitteren 10 deler gasstrømmen i to rør, et gassproduksjonsrør 11 og et gassinjeksjonsrør 12. Gassproduksjonsrøret 11 leder gasstrømmen direkte til en produksjonsfasilitet (ikke vist), mens gassinjeksjonsrøret 12 leder gasstrømmen tilbake inn i separatoren 1 ved kroneanordningen 2 for blanding med oljefasen. Gassproduksjonsrøret 11 og gassinjeksjonsrøret 12 er fortrinnsvis tilveiebrakt med strømningskontrollmidler (ikke vist) slik som en ventil, nedstrøms gassplitteren 10 for å styre strømmen av gass i gassproduksjonsrøret 11 og gassinjeksjonsrøret 12. Alternativt kan det være at det ikke er noe gassutløp 9, ettersom all gassen holdes i separatoren inntil den forlater separatoren gjennom utløpsarrangementet for olje/gass 15.

Med referanse til fig. 2 er det vist et enderiss av separatoren 1 med et utløpsarrangement for olje/gass 15 som på fig. 1. Utløpsarrangementet for olje/gass 15 omfatter en kroneanordning 2 tilveiebrakt med minst en utsparing 4 i den øvre delen. Kroneanordningen 2 kan ha hvilken som helst form, slik som sirkulær, halvsirkulær etc. Den minst ene utsparingen 4 strekker seg gjennom den ytre veggen til kroneanordningen 2, og oljen og gassen strømmer inn i kroneanordningen 2 gjennom utsparingen 4. Gitt situasjonen at det er to eller et flertall utsparinger 4, er utsparingene 4 fortrinnsvis jevnt fordelt langs omkretsen til den øvre delen av kroneanordningen 2. Utsparingene 4 er vist med hovedsakelig rektangulær form, men de kan ha hvilken som helst form slik som kvadratisk, trapesformet, sirkulær, elliptisk, parallellogram, etc. Et delerelement 3 deler volumet til kronearrangementet 2 for slik å definere et første 5 og et andre 6 fluidutløp. Delerelementet 3 separerer det første fluidutløpet 5 fra det andre fluidutløpet 6 og ender opp i området definert av en «Y-form» hvor de første og andre fluidutløpene 5, 6 forgrener seg i et første rør 7 og et andre rør 8, henholdsvis. Sagt på en annen måte, delerelementet 3 er anordnet i et område definert av den øvre delen av utløpsarrangementet for olje/gass 15 og en region hvor det første fluidutløpet 5 og det andre fluidutløpet 6 splittes i et separat første rør 7 og andre rør 8. Det første røret og det andre røret kan i en utførelse separeres inne i separatoren. I utførelsen vist på fig. 2 separeres det første røret 7 og det andre røret 8 inne i separatoren 1, men det er også mulig at det første røret 7 og det andre røret 8 separeres på utsiden av separatoren 1. Dette er selvfølgelig avhengig av de spesifikke kravene i hvert prosjekt. Fig. 3 er et sideriss av utløpsarrangementet for olje/gass 15 anordnet i separatoren 1. Fig. 4 viser utførelsen av utløpsarrangementet for olje/gass 15 på fig. 2 hvor fordelingen av fluidfasene er vist. Vannfasen W er i den nedre delen av separatoren 1, oljefasen O er i den midtre delen, og gassfasen G er i den øvre delen av separatoren 1 på grunn av tettheten til vann, olje og gass. Arealet til utsparingene 4 i kroneanordningen 2 strekker seg inn i både oljefasen O og gassfasen G. Olje- og gassfasene sammenblandes ved utsparingene 4 og føres gjennom de første og andre fluidutløpene 5, 6. Slik det fremgår på figuren, er den nedre enden av utsparingene anordnet over vannfasen W i separatoren 1. Dette minimerer risikoen for at vann produseres sammen med produksjonsstrømmen av gass/olje gjennom utløpsarrangementet for olje/gass 15.

Arrangementet ved delerelementet 3, som beskrevet ovenfor og i forhold til beskrivelsen av fig. 2, sikrer at blandingsforholdet av olje og gass i det første fluidutløpet 5 og andre fluidutløpet 6 holdes likt. Det kan anordnes én eller flere pumper (ikke vist) i forbindelse med hvert av det første røret 7 og det andre røret 8, på utsiden av separatoren 1.

I tillegg kan gassinjeksjonsrøret 12 (som vist på fig. 1) være anordnet i den øvre

delen av kroneanordningen 2 for blanding med oljefasen O og gassfasen G. Høyden på kroneanordningen 2 inne i separatoren 1 er justerbar og er selvfølgelig avhengig av vannkuttet, dvs. mengden produsert vann sammenlignet med det totalt produserte fluidvolumet. Dersom en opplever eller forutser et høyt vannkutt, kan en redusere høyden til kroneanordningen 2, dvs. utsparingene 4 i kronen.

Fig. 5 viser et toppriss av et utløpsarrangement for olje/gass 15 anordnet inne i separatoren 1. Toppen av utløpsarrangementet for olje/gass 15, dvs. kroneanordningen 2, er fortrinnsvis åpen over hele topparealet, men i en annen utførelse kan kun deler være åpent. Det er anordnet et delerelement 3 i kroneanordningen 2, aksielt parallelt med lengden av separatoren 1. Det kan være anordnet et antall slike delerelementer 3 i kroneanordningene 2, avhengig av antallet ønskede fluidutløp, hvilke delerelementer 3 kan være anordnet i hvilken som helst vinkel relativt den aksielle retningen til separatoren 1. Volumet til hvert av fluidutløpene er fortrinnsvis det samme for å sikre at strømningsfordelingen i hvert av fluidutløpene er hovedsakelig det samme. I utførelsen vist på fig. 5 er toppen av kroneanordningen 2 vist med en sirkulær form. I denne utførelsen vil vinkelen mellom hvert delerelement 3 fortrinnsvis være den samme, med det resultat at volumet i hvert av fluidutløpene er det samme.

Med referanse til fig. 6 er det vist en utførelse med to kroneanordninger 2 anordnet ved siden av hverandre i den aksielle retningen til separatoren 1. Hver av kroneanordningene 2 kan ha null, én eller et flertall delerelementer 3, og ett eller et flertall fluidutløp 5, 6 avhengig av antallet delerelementer 3. Ved å anordne mange kroneanordninger 2 ved siden av hverandre langs den aksielle lengden av separatoren 1, vil separatorlengden øke.

Fig. 7A viser den maksimale høyden til én kroneanordning 2 i en separator 1. Fig. 7B viser den maksimale høyden til to kroneanordninger 2 anordnet side-ved-side i en retning perpendikulært på den aksielle retningen til separatoren 1. Utførelsen på fig. 7A muliggjør en høyere maksimum høyde på kroneanordningen 2 enn den maksimumshøyden til de to kroneanordningene 2 vist på fig. 7B. Av prosesseringsårsaker, dvs. maksimering av vannets oppholdstid i separatoren, kan det være ønskelig å anordne utløpet for olje/gass, dvs. utsparingene 4 i kroneanordningen 2, så høyt opp som mulig i separatoren 1. Dersom to kroneanordninger 2 skal anordnes perpendikulært på den aksielle retningen til separatoren 2, kan det være at den maksimale høyden reduseres som et resultat av geometriske hensyn.

Oppfinnelsen er heri beskrevet i ikke-begrensende utførelser. En fagmann på området vil forstå at det kan gjøres forandringer og modifikasjoner i utførelsene som er innenfor rammen av oppfinnelsen som definert i de vedføyde kravene, og elementer eller trekk ved de forskjellige utførelsene kan kombineres på hvilken som helst måte.

Claims

1. Et undervannssystem omfattende en separator (1), separatoren (1) omfatter; - i det minste ett brønnstrøminnløp (13) for en flerfase-fluidblanding (13) av i det minste olje og gass, - et utløpsarrangement (15) for olje/gass anordnet i en avstand fra brønnstrøminnløpet (13) over hvilken avstand flerfase-fluidblandingen separeres i i det minste en oljefase (O) og en gassfase (G), utløpsarrangementet (15) for olje/gass omfatter; - i det minste en konisk kroneanordning (2), den koniske kroneanordningen (2) har en ytre vegg med i det minste en utsparing (4) som strekker seg gjennom nevnte ytre vegg og forløpende fra en toppende av kroneanordningen i en avstand i den langsgående retningen til kroneanordningen, gjennom hvilke utsparinger (4) oljen og gassen strømmer inn i kroneanordningen (2), - hver kroneanordning (2) er i fluidforbindelse med i det minste ett fluidutløp (5, 6), og - hvori utløpsarrangementet (15) for olje/gass omfatter i det minste to fluidutløp (5, 6).

2. Et undervannssystem ifølge krav 1,karakterisert vedat den i det minst ene koniske kroneanordningen (2) omfatter minst ett delerelement (3), hvert delerelement (3) deler et volum i den koniske kroneanordningen (2) i to hovedsakelig like subvolum, hvert subvolum er i fluidforbindelse med i det minste ett fluidutløp (5, 6).

3. Et undervannssystem ifølge et av de foregående kravene,karakterisert vedat minst to utsparinger (4) er anordnet jevnt fordelt rundt omkretsen til den i det minst ene koniske kroneanordningen (2).

4. Et undervannssystem ifølge et av de foregående kravene,karakterisert vedat de minst to fluidutløpene (5, 6) deles i to separate rør (7, 8) på innsiden av separatoren (1).

5. Et undervannssystem ifølge et av de foregående kravene 1-3,karakterisertved at de i det minste to fluidutløpene (5, 6) deles i to separate rør (7, 8) på utsiden av separatoren (1).

6. Et undervannssystem ifølge et av de foregående kravene 1-5,karakterisertved at minst ett gassutløp (9) er anordnet i den øvre delen av separatoren (1) i nærheten av brønnstrøminnløpet (13) og et gassinjeksjonsrør (12) er anordnet ved utløpsarrangementet (15) for olje/gass.

7. Et undervannssystem ifølge krav 6,karakterisert vedat en gassplitter (10) er anordnet nedstrøms gassutløpet (9), hvilken gassplitter (10) deles inn i gassinjeksjonsrøret (12) og et gassproduksjonsrør (11), gassproduksjonsrøret (11) leder til en produksjonsfasilitet.

8. Et undervannssystem ifølge et av de foregående kravene 1-7,karakterisertved at det er anordnet minst én pumpe nedstrøms hvert fluidutløp (5, 6).