NO339900B1

NO339900B1 - Process and system for pressure control of hydrocarbon well fluids

Info

Publication number: NO339900B1
Application number: NO20141341A
Authority: NO
Inventors: Giacomo Landi; John Daniel Friedemann; Terje Glomsaker; Luciano Patruno
Original assignee: Vetco Gray Scandinavia As
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2017-02-13
Also published as: NO20141341A1; WO2016075097A1

Description

Fremgangsmåte og system for trykkregulering av hydrokarbon-brjzmnf luider Method and system for pressure regulation of hydrocarbon brjzmnf fluids

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og et system som er innrettet for trykkregulering av brønnfluider ved hydrokarbonproduksjon. Oppfinnelsen vedrører spesielt et system som søker å oppnå reduksjon i kraftforbruk og gjenvinning av energi i roterende utstyr som blir brukt ved produksjon og transport av hydrokarbonfluid fra brønner til mottak på overflaten. The present invention relates to a method and a system which is designed for pressure regulation of well fluids during hydrocarbon production. The invention relates in particular to a system which seeks to achieve a reduction in power consumption and recovery of energy in rotating equipment that is used in the production and transport of hydrocarbon fluid from wells to reception on the surface.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk Hydrokarbonbrønner i et hydrokarbonproduksjonsfelt produserer typisk ved forskjellige trykk og strømningsrater på et gitt tidspunkt. Den enkelte olje- eller gassbrønn leverer vanligvis også med strømningsrate og trykk som blir lavere med tiden. Endringer i brønnfluidtrykk og regulering av strømningsrate og trykk i produsert brønnfluid blir konvensjonelt håndtert ved å strupe eller øke strømmen, dvs. dersom brønnfluidtrykket er høyere enn ønsket i nedstrøms utstyr, blir strømmen begrenset ved hjelp av en strupeventil innrettet på brønnhodet, og dersom brønnfluidtrykket er lavere enn det som kreves for transport eller nedstrøms behandling, kan strømmen økes ved hjelp av en trykkøkingspumpe eller kompressor innrettet nedstrøms for strupeventilen. Trykkøking og struping er prosesser som enten forbruker energi eller som reduserer potensiell produksjonsrate fra brønner i et hydrokarbon-produks j ons felt. Background of the invention and prior art Hydrocarbon wells in a hydrocarbon production field typically produce at different pressures and flow rates at a given time. The individual oil or gas well usually also delivers with a flow rate and pressure that become lower over time. Changes in well fluid pressure and regulation of flow rate and pressure in produced well fluid are conventionally handled by throttling or increasing the flow, i.e. if the well fluid pressure is higher than desired in downstream equipment, the flow is limited by means of a throttling valve arranged on the wellhead, and if the well fluid pressure is lower than that required for transport or downstream treatment, the flow can be increased by means of a pressure booster pump or compressor arranged downstream of the choke valve. Pressure boosting and throttling are processes that either consume energy or that reduce the potential production rate from wells in a hydrocarbon production field.

Bruken av pumper for regulering av brønnfluidtrykk ved produksjon av hydrokarboner er tidligere kjent. I WO 2005/ 040545 A2 blir brønnfluidtrykk regulert ved hjelp av en trykkforsterker eller pumpe i strømforbruksmodus. Et annet eksempel på kjent teknikk finnes i EP 2236739 A2 der avlastning av statisk trykkhøyde i en overbalansert brønn blir oppnådd ved å kjøre en pumpe i strømforbruksmodus. The use of pumps for regulating well fluid pressure in the production of hydrocarbons is previously known. In WO 2005/040545 A2, well fluid pressure is regulated using a pressure booster or pump in power consumption mode. Another example of prior art is found in EP 2236739 A2 where relief of static head in an overbalanced well is achieved by running a pump in power consumption mode.

Så vidt søkeren kjenner til, inneholder imidlertid kjent teknikk ingen løsning som gjelder gjenvinning og distribuering av kraft fra en brønn med overskudd av trykk. However, as far as the applicant is aware, the prior art does not contain any solution that concerns the recovery and distribution of power from a well with an excess of pressure.

Sammenfatning av oppfinnelsen Summary of the Invention

Det er et formål med foreliggende oppfinnelse å sørge for trykkregulering av brønnfluider produsert fra brønner i et hydrokarbonproduksj onsfelt. It is an object of the present invention to provide for pressure regulation of well fluids produced from wells in a hydrocarbon production field.

Det er et annet formål med foreliggende oppfinnelse å skaffe en kraftbesparende fremgangsmåte og system innrettet for trykkregulering av brønnfluider produsert fra brønner i et hydrokarbonproduksj onsfelt. It is another object of the present invention to provide a power-saving method and system designed for pressure regulation of well fluids produced from wells in a hydrocarbon production field.

Det er enda et annet formål med foreliggende oppfinnelse å skaffe en fremgangsmåte og et system som er innrettet for trykkregulering og for optimalisering av produksjon fra brønner i et hydrokarbonproduksjonsfelt. It is yet another object of the present invention to provide a method and a system which is designed for pressure regulation and for optimizing production from wells in a hydrocarbon production field.

Det er et ytterligere formål med foreliggende oppfinnelse å skaffe en fremgangsmåte og et system som er innrettet for trykkregulering og for å balansere utløpstrykket mellom brønner i et hydrokarbonproduksjonsfelt. It is a further object of the present invention to provide a method and a system which is designed for pressure regulation and for balancing the outlet pressure between wells in a hydrocarbon production field.

I det minste blir ett av de ovenfor nevnte målene oppnådd i et system innrettet for trykkregulering av brønnfluid produsert fra brønner i et hydrokarbonproduksjonsfelt der systemet omfatter følgende: - en første pumpe i fluidkommunikasjon med en første brønn og en andre pumpe i fluidkommunikasjon med en andre brønn, der pumpene er innrettet for å ta imot brønnfluid produsert fra respektive brønner og å levere fluidet til røropplegg eller utstyr nedstrøms, - første og andre pumpe med hver sin motor- og generatorenhet som kan operere som generator når pumpen blir drevet av brønnfluid i kraftgenereringsmodus, og idet pumpen kan operere som kraftforbruker ved å operere motor- og generatorenheten som en motor, idet pumpene er driftsmessig koblet sammen via en kraftdistribusjonsenhet som er konfigurert til å fordele gjenvunnet kraft mellom pumpene eller til andre mottakere, og idet motor- og generatorenheten videre omfatter permanentmagneter montert i omkretsen på en rotor, mens elektromagneter og statorviklinger er montert på en kapsling som omslutter rotoren, idet rotoren omfatter rotorskovler som er kurvet forover eller bakover i forhold til rotorens rotasjonsretning, for overføring av energi til brønnfluidet, henholdsvis for å absorbere energi fra brønnfluidet. At least one of the above-mentioned objectives is achieved in a system designed for pressure regulation of well fluid produced from wells in a hydrocarbon production field where the system comprises the following: - a first pump in fluid communication with a first well and a second pump in fluid communication with a second well , where the pumps are arranged to receive well fluid produced from respective wells and to deliver the fluid to pipelines or equipment downstream, - first and second pump each with its own motor and generator unit that can operate as a generator when the pump is powered by well fluid in power generation mode, and in that the pump can operate as a power consumer by operating the motor and generator unit as a motor, in that the pumps are operationally connected via a power distribution unit configured to distribute recovered power between the pumps or to other receivers, and in that the motor and generator unit further comprises permanent magnets mounted in the circumference of a rotor, while electromagnets ter and stator windings are mounted on an enclosure that encloses the rotor, the rotor comprising rotor blades that are curved forwards or backwards in relation to the rotor's direction of rotation, for transferring energy to the well fluid, respectively to absorb energy from the well fluid.

I utførelser av oppfinnelsen gjelder følgende: In embodiments of the invention, the following applies:

Pumpen kan være utført som en helico-aksial pumpe tilpasset for trykkøking i flerfasefluid. The pump can be designed as a helico-axial pump adapted for pressure increase in multiphase fluid.

Rotoren i motor- og generatorenheten omfatter rotorskovler skråstilt mot strømretningen og tjener til å generere en i hovedsak aksiell strømning gjennom kraft- og The rotor in the motor and generator unit comprises rotor blades inclined to the direction of flow and serves to generate an essentially axial flow through power and

strømningsmodulen. the flow module.

Hver av pumpene i trykkreguleringssystemet kan omfatte et sett av motor- og generatorenhetene innrettet i rekkefølge, idet hver motor- og generatorenhet kan være individuelt styrt via en dedikert frekvensomformer (Variable Speed Drive - VSD). Each of the pumps in the pressure regulation system can comprise a set of motor and generator units arranged in sequence, as each motor and generator unit can be individually controlled via a dedicated frequency converter (Variable Speed Drive - VSD).

Settet av motor- og generatorenheter i en pumpe kan omfatte kontraroterende rotorer, slik at hver rotor som roterer medurs følger på en rotor som roterer moturs. The set of motor and generator units in a pump may comprise counter-rotating rotors, so that each clockwise-rotating rotor follows a counterclockwise-rotating rotor.

I et sett med motor- og generatorenheter kan hver enhet være innrettet til å følge direkte etter en foregående modul uten at det er statorskovler mellom rotorskovlene i suksessive motor- og generatorenheter. In a set of motor and generator units, each unit may be arranged to directly follow a preceding module without stator blades between the rotor blades of successive motor and generator units.

Når motor/generator-enheten opererer som en motor, blir rotoren satt i rotasjon ved at permanentmagnetene beveger seg i magnetfeltet som dannes når strøm tilføres statorviklingene for å aktivere elektromagnetene. I motormodus overfører pumpen energi til fluidet via rotorskovlene, hvilket øker trykket i brønnfluidet. When the motor/generator unit operates as a motor, the rotor is set into rotation by the permanent magnets moving in the magnetic field created when current is applied to the stator windings to activate the electromagnets. In motor mode, the pump transfers energy to the fluid via the rotor blades, which increases the pressure in the well fluid.

Når motor/generator-enheten opererer som en generator, blir rotoren satt i rotasjon av brønnfluidet, og rotormagnetene induserer strøm i statorviklingene. I generatormodus, i korthet, vil pumpen absorbere energi fra fluidet via rotorskovlene, hvilket reduserer trykket i brønnfluidet. When the motor/generator unit operates as a generator, the rotor is set in rotation by the well fluid, and the rotor magnets induce current in the stator windings. In generator mode, in short, the pump will absorb energy from the fluid via the rotor blades, which reduces the pressure in the well fluid.

I en pumpe som omfatter et sett med stablebare motor- og generatorenheter kan enheterna være spesifisert vekselvis for motordriftsmodus, henholdsvis for generatordriftsmodus. Pumpen kan med andre ord være utstyrt med motor- og generatorenheter som er spesifisert vekselvis for å overføre energi til brønn-fluidet eller for å absorbere energi fra brønnfluidet, ved tilsvarende utforming av rotorskovlene. In a pump comprising a set of stackable motor and generator units, the units can be specified alternately for motor operation mode, respectively for generator operation mode. In other words, the pump can be equipped with motor and generator units which are specified alternately to transfer energy to the well fluid or to absorb energy from the well fluid, by corresponding design of the rotor blades.

Trykkreguleringssystemet i henhold til foreliggende oppfinnelse omfatter videre en sentral kraftdistribusjonsenhet (SPDU) som mottar elektrisk kraft og styring fra en plattform på overflaten til sjøs eller på land. SPDU-enheten forsyner pumpene med nødvendig kraft, og brønnfluidtrykk blir overvåket og rapportert til SPDU-en fra trykksensorer innrettet på hver brønn. SPDU-en inneholder styrelogikk konstruert for å bestemme hvorvidt vedkommende pumpe skal opereres som trykk-økingsenhet eller som trykksenker, dvs. i kraftforbruksmodus eller i kraftgenereringsmodus. The pressure regulation system according to the present invention further comprises a central power distribution unit (SPDU) which receives electrical power and control from a platform on the surface at sea or on land. The SPDU unit supplies the pumps with the necessary power, and well fluid pressure is monitored and reported to the SPDU from pressure sensors installed on each well. The SPDU contains control logic designed to determine whether the relevant pump is to be operated as a pressure-increasing unit or as a pressure-reducing unit, i.e. in power consumption mode or in power generation mode.

SPDU-en er også utstyrt for å motta elektrisk kraft fra en pumpe som opererer i generatormodus. Elektrisk kraft mottatt i SPDU-en kan bli delt mellom pumper i trykkreguleringssystemet, eller kan bli levert til annet utstyr i feltet, eller kan bli tilført til plattform på overflaten. På denne måten kan energien som er knyttet til brønnfluidtrykket bli balansert mellom brønner som er tilkoblet trykkreguleringssystemet, samtidig som energiforbruket for trykkregulering kan reduseres. The SPDU is also equipped to receive electrical power from a pump operating in generator mode. Electrical power received in the SPDU may be shared between pumps in the pressure control system, or may be supplied to other equipment in the field, or may be supplied to platforms on the surface. In this way, the energy associated with the well fluid pressure can be balanced between wells that are connected to the pressure regulation system, while the energy consumption for pressure regulation can be reduced.

Slik kan systemet, i noen utførelser av oppfinnelsen, overvåke gjeldende brønnfluidtrykk og rapportere dette til kraftdistribusjonsenheten fra trykksensorer innrettet på brønnhoder. Thus, in some embodiments of the invention, the system can monitor the current well fluid pressure and report this to the power distribution unit from pressure sensors arranged on well heads.

Pumper kan også være innrettet på brønnhoder og tjene til utjevning av trykk i brønnfluid som er produsert fra brønner som produserer med forskjellige brønnfluidtrykk. Pumps can also be installed on wellheads and serve to equalize pressure in well fluid that is produced from wells that produce with different well fluid pressures.

Utførelser av oppfinnelsen omfatter pumper som er innrettet på en modul som kan kobles til et brønnhode, et undervanns- eller overflate-ventiltre. Embodiments of the invention include pumps that are arranged on a module that can be connected to a wellhead, an underwater or surface valve tree.

I andre utførelser kan pumper være innrettet på nedstrøms røropplegg og tjene til utjevning av trykk i fluidstrømmer med ulike trykk i koblingsbroer/røropplegg, manifolder, stigerørbaser, PLEM eller andre rørledninger installert på et hydrokarbon-produksj onsanlegg. In other embodiments, pumps can be arranged on downstream pipelines and serve to equalize pressure in fluid streams with different pressures in connecting bridges/pipelines, manifolds, riser bases, PLEM or other pipelines installed at a hydrocarbon production facility.

Foreliggende oppfinnelse kan implementeres som en fremgangsmåte for å regulere trykkene i brønnfluid produsert fra brønner i et hydrokarbonproduksjonsfelt, idet fremgangsmåten omfatter følgende: - innretning av en pumpe i fluidkommunikasjon med den enkelte brønn for å motta fluid produsert fra vedkommende brønn og for å levere fluidet til nedstrøms røropplegg, idet hver pumpe omfatter en motor- og generatorenhet, og - øking av strømning/trykk i levert fluid ved å operere pumpen som motor i kraftforbruksmodus, og reduksjon av strømning/ trykk i levert fluid ved å operere pumpen som generator i kraftgenereringsmodus, slik at gjenvunnet kraft i kraftgenereringsmodus blir distribuert mellom pumpene eller går til annen mottaker via en kraftdistribusjonsenhet som er driftsmessig koblet til pumpene. The present invention can be implemented as a method for regulating the pressures in well fluid produced from wells in a hydrocarbon production field, the method comprising the following: - arrangement of a pump in fluid communication with the individual well to receive fluid produced from the relevant well and to deliver the fluid to downstream piping, with each pump comprising a motor and generator unit, and - increasing flow/pressure in delivered fluid by operating the pump as a motor in power consumption mode, and reducing flow/pressure in delivered fluid by operating the pump as a generator in power generation mode, so that recovered power in power generation mode is distributed between the pumps or goes to another recipient via a power distribution unit that is operationally connected to the pumps.

Detaljer om de ulike aspektene ved oppfinnelsen vil bli forklart nærmere nedenfor i den detaljerte beskrivelsen av foretrukne utførelser. Details of the various aspects of the invention will be explained further below in the detailed description of preferred embodiments.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene Brief description of the drawing figures

Utførelser av oppfinnelsen vil bli nærmere forklart nedenfor med henvisning til de vedlagte skjematiske tegningsfigurene. Tegningene viser som følger: Figur 1 viser en generell utforming av et trykkreguleringssystem i henhold til foreliggende oppfinnelse, Figur 2 er et lengdesnitt gjennom kraft- og strømningsmoduler som er tilpassede for innlemmelse i en pumpe for trykkreguleringssystemet i foreliggende oppfinnelse, og Figur 3 er et tilsvarende snitt som illustrerer en trykk-økingspumpe som omfatter et sett kraft- og strømningsmoduler. Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to the attached schematic drawings. The drawings show as follows: Figure 1 shows a general design of a pressure regulation system according to the present invention, Figure 2 is a longitudinal section through power and flow modules which are adapted for incorporation in a pump for the pressure regulation system in the present invention, and Figure 3 is a corresponding sectional view illustrating a booster pump comprising a set of power and flow modules.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser Detailed description of preferred designs

Selv om det er forklart og illustrert nedenfor med henvisning til en undersjøisk implementering, presiseres det at opplysningene som er gitt her på liknende måte gjelder for prosessen med hydrokarbonproduksjon fra landbaserte hydrokarbonbrønner. Although it is explained and illustrated below with reference to a subsea implementation, it is specified that the information provided here applies similarly to the process of hydrocarbon production from onshore hydrocarbon wells.

Generell utforming av et system for trykkregulering av brønn-fluid produsert fra brønner på havbunnen ved et undersjøisk hydrokarbonproduksjonsfelt vil nå bli forklart med henvisning til figur 1. Et antall brønner Wi~W5distribuert over havbunnen 1 er forbundet for å levere brønnfluid til en plattform 2 på overflaten eller til et fartøy til havs, eller til land, via rørledninger P1-P5, en manifold 3 og et stigerør 4. Et brønn-hode 5 på toppen av hver brønn W1-W5er innrettet til å holde de ventilene, forbindelsene og sensorene som kreves for å produsere fluid fra brønnen. The general design of a system for pressure regulation of well fluid produced from wells on the seabed at a subsea hydrocarbon production field will now be explained with reference to figure 1. A number of wells Wi~W5 distributed over the seabed 1 are connected to deliver well fluid to a platform 2 on the surface or to a vessel at sea, or on land, via pipelines P1-P5, a manifold 3 and a riser 4. A well-head 5 at the top of each well W1-W5 is arranged to hold the valves, connections and sensors which required to produce fluid from the well.

I henhold til utførelsen av oppfinnelsen som er vist på figur 1, er en pumpe og generator 6 installert i strømmen nedstrøms for en choke eller produksjonsventil 7. Pumpen/generatoren kan imidlertid som et alternativ være installert oppstrøms for choke/produksjonsventilen 7. According to the embodiment of the invention shown in figure 1, a pump and generator 6 are installed in the stream downstream of a choke or production valve 7. However, the pump/generator can, as an alternative, be installed upstream of the choke/production valve 7.

Pumpen 6 er en elektrisk drevet strømningsmaskin, der permanentmagneter er montert i omkretsen av en rotor, mens elektromagneter og statorviklinger er montert på en kapsling som omgir rotoren, slik det blir nærmere forklart nedenfor. The pump 6 is an electrically driven flow machine, where permanent magnets are mounted in the circumference of a rotor, while electromagnets and stator windings are mounted on an enclosure that surrounds the rotor, as will be explained in more detail below.

Elektrisk kraft blir tilført til pumpen 6 fra en undersjøisk kraftdistribusjonsenhet (SPDU) 8 via en frekvensomformer (variable speed drive - VSD) 9. Kraft og kommunikasjon mellom SPDU 8 og plattform 2 blir overført via en kraft- og styrekabel 10. Electrical power is supplied to the pump 6 from a subsea power distribution unit (SPDU) 8 via a variable speed drive (VSD) 9. Power and communication between the SPDU 8 and platform 2 is transmitted via a power and control cable 10.

Elektrisk utstyr som vanligvis brukes til å drive undersjøiske enheter i et hydrokarbonproduksjonsfelt, slik som transformat-orer, likerettere, omformere osv., og som ikke trengs for å forstå foreliggende oppfinnelse, er utelatt fra figur 1 for å forenkle. Electrical equipment commonly used to operate subsea units in a hydrocarbon production field, such as transformers, rectifiers, converters, etc., and which are not needed to understand the present invention, are omitted from Figure 1 for simplicity.

SPDU 8 omfatter reguleringslogikk konstruert for å prosessere informasjon om gjeldende trykk i brønnfluidet som blir levert av havbunnsbrønnene W1-W5. Brønnfluidtrykk blir overvåket og rapportert til SPDU 8 fra trykksensorer (PT) 11 plassert oppstrøms for produksjonsventilene 7. SPDU 8 bruker brønn-fluidtrykket til å bestemme for hver brønn om pumpen 6 skal opereres for å øke trykket, dvs. som en motor i kraftforbruksmodus, eller for å redusere trykket, dvs. som generator i kraftgenereringsmodus. SPDU 8 includes control logic designed to process information about the current pressure in the well fluid that is supplied by the subsea wells W1-W5. Well fluid pressure is monitored and reported to the SPDU 8 from pressure sensors (PT) 11 located upstream of the production valves 7. The SPDU 8 uses the well fluid pressure to determine for each well whether the pump 6 should be operated to increase pressure, i.e. as a motor in power consumption mode, or to reduce pressure, i.e. as a generator in power generation mode.

Eksempel Example

Dersom brønn Wi produserer med et trykk på 250 bar, kan pumpen 6 opereres i generatormodus for å redusere trykket i fluid levert fra pumpen ned til f.eks. 150 bar. Merk at trykk-differansen representerer energi som normalt ville gå til spille dersom trykket blir redusert ved å strupe strømmen. Dersom brønn W2samtidig produserer med et trykk på 100 bar blir pumpe 6 operert i motormodus for å øke trykket i fluid levert fra pumpen til 150 bar. If well Wi produces with a pressure of 250 bar, the pump 6 can be operated in generator mode to reduce the pressure in fluid delivered from the pump down to e.g. 150 bar. Note that the pressure difference represents energy that would normally be wasted if the pressure is reduced by throttling the flow. If well W2 simultaneously produces with a pressure of 100 bar, pump 6 is operated in motor mode to increase the pressure in fluid delivered from the pump to 150 bar.

Energien som blir gjenvunnet ved å redusere trykket med The energy that is recovered by reducing the pressure by

100 bar i brønnfluid fra brønn Wi i dette eksempelet kan være i størrelsesorden 500 kW, mens energien som kreves for å øke trykket med 100 bar i brønnfluid produsert fra brønn W2kan være av samme størrelsesorden, rundt 500 kW. Balansering av trykkene mellom de to brønnene som illustrert ovenfor kan altså oppnås med en betydelig innsparing av energi. 100 bar in well fluid from well Wi in this example can be of the order of 500 kW, while the energy required to increase the pressure by 100 bar in well fluid produced from well W2 can be of the same order of magnitude, around 500 kW. Balancing the pressures between the two wells as illustrated above can thus be achieved with a significant saving of energy.

Energien som blir gjenvunnet fra pumpen 6 som opererer i generatormodus, blir overført til SPDU-en 8 via elektriske kraftlinjer 12. Styrelogikk installert i SPDU-en 8 bestemmer hvorvidt den gjenvunne energien skal føres til andre pumper i trykkreguleringssystemet, til andre undersjøiske kraft-forbrukere eller til plattformen på overflaten til sjøs eller på land. The energy recovered from the pump 6 operating in generator mode is transferred to the SPDU 8 via electrical power lines 12. Control logic installed in the SPDU 8 determines whether the recovered energy should be fed to other pumps in the pressure regulation system, to other subsea power consumers or to the platform on the surface at sea or on land.

Strukturen med pumpe og generatorenhet 6 vil nå bli nærmere forklart med henvisning til figur 2. The structure with pump and generator unit 6 will now be explained in more detail with reference to figure 2.

Nærmere bestemt utgjør pumpe og generatorenhet 6 en elektrisk drevet maskin som kan være av ulike utførelser. Felles for alle utførelser er en integrert permanentmagnetmotor (PM), der permanentmagneter er montert i omkretsen av en motorrotor eller skovlhjul, mens elektromagneter og statorviklinger er montert på en stasjonær kapsling som omslutter rotoren/skovlhjulet. More specifically, the pump and generator unit 6 constitute an electrically driven machine which can be of various designs. Common to all designs is an integrated permanent magnet motor (PM), where permanent magnets are mounted in the circumference of a motor rotor or paddle wheel, while electromagnets and stator windings are mounted on a stationary enclosure that encloses the rotor/paddle wheel.

Utførelser av pumpen 6 omfatter en kraft- og strømningsmodul der rotoren er utformet med radielle blad eller rotorskovler festet til en sentral rotoraksel som opplagret for rotasjon. Andre utførelser omfatter en rotor med skovler som er opplagret for rotasjon utenpå en stasjonær aksel. Embodiments of the pump 6 comprise a power and flow module where the rotor is designed with radial blades or rotor vanes attached to a central rotor shaft which is supported for rotation. Other designs include a rotor with vanes that are mounted for rotation on a stationary shaft.

Med henvisning til figur 2 er et sett av kraft- og strømnings-moduler 100 vist i lengdesnitt. Hver kraft- og strømningsmodul 100 omfatter en rotor 101 som er opplagret for rotasjon på en rotoraksel 102. Rotoren 101 kan være opplagret i radiallagre/ aksiallagre 103 på utsiden av en stasjonær rotoraksel for rotasjon om denne, adskilt fra de andre rotorene i et sett med kraft- og strømningsmoduler. Disse lagrene 103 kan være av en type som får smøring fra prosessfluidet. With reference to Figure 2, a set of power and flow modules 100 is shown in longitudinal section. Each power and flow module 100 comprises a rotor 101 which is supported for rotation on a rotor shaft 102. The rotor 101 can be supported in radial bearings/axial bearings 103 on the outside of a stationary rotor shaft for rotation about this, separated from the other rotors in a set of power and flow modules. These bearings 103 can be of a type that receives lubrication from the process fluid.

Rotorene kan alternativt være rotasjonsfritt festet til en felles rotoraksel som er opplagret til å rotere i lagre som er innrettet et i lagerhus (ikke vist). The rotors can alternatively be non-rotatingly attached to a common rotor shaft which is stored to rotate in bearings arranged in a bearing housing (not shown).

Hver rotor 101 omfatter et sett rotorskovler 104 som strekker seg hovedsakelig i radiell retning fra en rotor-senterakse C. I det miste noen av rotorskovlene 104 har en permanentmagnet 105 i den ytre, perifere enden av rotorskovlen. Permanentmagnetene 105 kan være integrert i et ringelement 10 6 som er koblet sammen med rotorskovlene i rotoromkretsen 107. Each rotor 101 comprises a set of rotor blades 104 which extend mainly in the radial direction from a rotor center axis C. In that case some of the rotor blades 104 have a permanent magnet 105 at the outer, peripheral end of the rotor blade. The permanent magnets 105 can be integrated into a ring element 106 which is connected to the rotor blades in the rotor circuit 107.

Rotor 101 er omgitt av en kapsling 108 som har tilkoblings-midler, slik som flenser 109, for tilkobling til inntil-liggende kraft- og strømningsmoduler 100. Tetninger, ikke vist på tegningene, blir innrettet etter behov i grensesnittene mellom kapslingene til de sammenkoblede kraft- og strømnings-modulene. Montert i kapslingen 108 er et sett av elektromagneter med tilhørende statorviklinger, på tegningene merket med samme henvisningsnummer 110. Elektromagnetene 110 danner en ytre ring rundt den indre ringen med permanentmagneter, og kapslingen 108 kan ha form av en sylinder. Rotor 101 is surrounded by an enclosure 108 which has connection means, such as flanges 109, for connection to adjacent power and flow modules 100. Seals, not shown in the drawings, are arranged as needed in the interfaces between the enclosures of the connected power - and the flow modules. Mounted in the housing 108 is a set of electromagnets with associated stator windings, marked in the drawings with the same reference number 110. The electromagnets 110 form an outer ring around the inner ring of permanent magnets, and the housing 108 can have the shape of a cylinder.

Rotoren 101 blir således satt i rotasjon ved at permanentmagnetene beveger seg i magnetfeltet som blir generert når det blir tilført strøm i statorviklingene for å aktivere elektromagnetene . The rotor 101 is thus set in rotation by the permanent magnets moving in the magnetic field which is generated when current is supplied to the stator windings to activate the electromagnets.

For å optimalisere driften, kan hver kraft- og strømningsmodul 100 i et sett med kraft- og strømningsmoduler ha individuell strømtilførsel og være separat styrt via dedikerte frekvensomformer som illustrert med VSD-boksene på figur 3. To optimize operation, each power and flow module 100 in a set of power and flow modules can have an individual power supply and be separately controlled via dedicated frequency converters as illustrated by the VSD boxes in Figure 3.

Dersom det passer kan settet med individuelt styrte kraft- og strømningsmoduler være innrettet til å omfatte kontraroterende rotorer, slik at hver rotor som roterer medurs blir etterfulgt av en rotor som roterer moturs, slik som det er illustrert med piler R som angir rotasjonsretningene på figur 3. If appropriate, the set of individually controlled power and flow modules may be arranged to include counter-rotating rotors, so that each clockwise rotating rotor is followed by a counter-clockwise rotating rotor, as illustrated by arrows R indicating the directions of rotation in Figure 3 .

Kraft- og strømningsmodulene 100 kan være innrettet til å følge direkte etter en foregående modul uten at statorskovler er plassert mellom rotorskovlene til suksessive moduler 100. The power and flow modules 100 can be arranged to follow directly after a preceding module without stator vanes being placed between the rotor vanes of successive modules 100.

Ved rotasjon genererer kraft- og strømningsmodulen 100 en aksiell strømning i den ringformede strømningsbanen som blir dannet gjennom motorens rotor som virker som skovlhjul. Rotorskovlene 104 er konstruert med en angrepsvinkel eller stigningssvinkel oe mot strømmen F (se figur 3) , og dermed i forhold til senteraksen C. I et sett med kraft- og strømningsmoduler kan minst én av rotorene ha skovler med en annen angrepsvinkel enn de andre rotorene i settet. Angrepsvinkelen kan endres suksessivt fra første til siste rotor i settet. Upon rotation, the power and flow module 100 generates an axial flow in the annular flow path that is formed through the motor's rotor which acts as a paddle wheel. The rotor blades 104 are constructed with an angle of attack or angle of pitch oe against the flow F (see figure 3), and thus in relation to the central axis C. In a set of power and flow modules, at least one of the rotors can have blades with a different angle of attack than the other rotors in the set. The angle of attack can be changed successively from the first to the last rotor in the set.

Rotorskovlene 104 kan være utformet med et aero-foil for å forbedre virkemåten i henholdsvis motor- og kraftgenereringsmodus. Som illustrasjon på dette kan rotorskovlene være utformet med konveks-konkav profil, og montert med den konkave siden vendt mot rotasjonsretningen som illustrert i kraft- og strømningsmodulen 100'. En konveks-konkav rotorskovl kan alternativt være montert med den konvekse siden vendt mot rotasjonsretningen som illustrert i kraft- og strømnings-modulen 100''. Slik kan motorens rotor eller skovlhjul 101 være konstruert til å virke optimalt enten i trykkøkingsmodus, der energi blir overført til fluidet via rotorskovlene, eller i retardasjonsmodus der energi blir absorbert fra fluidet via rotorskovlene. The rotor blades 104 can be designed with an aero-foil to improve the operation in engine and power generation mode, respectively. As an illustration of this, the rotor blades can be designed with a convex-concave profile, and mounted with the concave side facing the direction of rotation as illustrated in the power and flow module 100'. A convex-concave rotor blade can alternatively be mounted with the convex side facing the direction of rotation as illustrated in the force and flow module 100''. In this way, the motor's rotor or impeller 101 can be designed to work optimally either in pressure increase mode, where energy is transferred to the fluid via the rotor blades, or in deceleration mode where energy is absorbed from the fluid via the rotor blades.

I praksis kan pumpen måtte konstrueres som et kompromiss, og til slutt tape noe virkningsgrad i én av dens to driftsmodi. På grunn av dens kompakthet aksielt, et resultat av stablebar konstruksjon uten stasjonære føringer satt inn mellom de dynamiske trinnene i pumpen, kan samlet lengde fortsatt holdes innenfor grensene selv om ekstra motortrinn blir lagt til for å kompensere. In practice, the pump may have to be designed as a compromise, and eventually lose some efficiency in one of its two operating modes. Due to its axial compactness, a result of stackable construction with no stationary guides inserted between the dynamic stages of the pump, overall length can still be kept within limits even if extra motor stages are added to compensate.

I retardasjonsmodus arbeider kraft- og strømningsmodulen 100 som en dynamo, og induserer strøm i statorviklingene fra det roterende magnetfeltet som blir produsert av permanentmagnetene, i rotasjon drevet av bevegelsesenergien i brønnfluidet som passerer gjennom rotoren. In deceleration mode, the power and flow module 100 works as a dynamo, inducing current in the stator windings from the rotating magnetic field produced by the permanent magnets, in rotation driven by the kinetic energy of the well fluid passing through the rotor.

Et trykkreguleringssystem er således beskrevet, der pumper som omfatter motor/generator-enheten kan være innrettet på brønnhoder og virke for utjevning av trykkene i brønnfluid produsert fra brønner på havbunnen eller produsert fra landbaserte hydrokarbonbrønner som produserer med et andre brønnfluidtrykk. I denne sammenhengen kan pumpene være innrettet på en installasjonsmodul som kan kobles til et brønnhode eller til et undervanns- eller overflate-ventiltre. Imidlertid kan pumpene også opereres i andre posisjoner på hydrokarbonproduksjonsfeltet, slik som på nedstrøms røropplegg idet pumpene kan opereres for utjevning av trykk i fluidstrømmer med ulike trykk i koblingsbroer/røropplegg, manifolder, stigerørbaser, PLEM eller andre rørledninger installert på et undersjøisk hydrokarbonproduksjonsfelt. A pressure regulation system is thus described, where pumps comprising the motor/generator unit can be arranged on wellheads and act to equalize the pressures in well fluid produced from wells on the seabed or produced from land-based hydrocarbon wells that produce with a different well fluid pressure. In this context, the pumps can be arranged on an installation module that can be connected to a wellhead or to an underwater or surface valve tree. However, the pumps can also be operated in other positions on the hydrocarbon production field, such as on downstream pipelines as the pumps can be operated for pressure equalization in fluid streams with different pressures in connecting bridges/pipelines, manifolds, riser bases, PLEM or other pipelines installed on a subsea hydrocarbon production field.

Det beskrevne trykkreguleringssystemet sørger for implementering av en metode for trykkregulering som omfatter følgende: - innretning av en gitt pumpe i fluidkommunikasjon med hver brønn som mottar fluid produsert fra denne brønnen og å levere fluidet til nedstrøms røropplegg, idet hver pumpe inkluderer en motor/generator-enhet, - og slik at strømning/trykk i levert fluid blir øket ved å operere pumpen som en motor i kraftforbruksmodus, og slik at strømning/trykk i levert fluid blir redusert ved å operere pumpen som en generator i kraftgenereringsmodus, idet kraft som gjenhentes i kraftgenereringsmodus blir fordelt og distribuert mellom to eller flere pumper eller sendt til annen mottaker via en kraftdistribusjonsenhet som er driftsmessig koblet til pumpene. The described pressure regulation system provides for the implementation of a method for pressure regulation which includes the following: - arrangement of a given pump in fluid communication with each well that receives fluid produced from this well and to deliver the fluid to downstream piping, each pump including a motor/generator- unit, - and so that flow/pressure in delivered fluid is increased by operating the pump as a motor in power consumption mode, and so that flow/pressure in delivered fluid is reduced by operating the pump as a generator in power generation mode, as power recovered in power generation mode is distributed and distributed between two or more pumps or sent to another recipient via a power distribution unit that is operationally connected to the pumps.

Det er blitt forklart ovenfor og illustrert i tegningsfigurer av eksempler på utførelser, at et betydelig integrert, kompakt og energisparende system for trykkregulering av brønnfluid produsert fra hydrokarbonbrønner kan oppnås ved implementering av de prinsippene som er presentert her. It has been explained above and illustrated in drawings of example designs, that a significant integrated, compact and energy-saving system for pressure regulation of well fluid produced from hydrocarbon wells can be achieved by implementing the principles presented here.

Det er likevel innlysende at modifikasjoner av de beskrevne utførelsene er mulige, uten å fravike omfanget av og ånden i oppfinnelsen slik den er beskrevet ovenfor og definert i vedlagte patentkrav. It is nevertheless obvious that modifications of the described embodiments are possible, without deviating from the scope and spirit of the invention as described above and defined in the attached patent claims.

Claims

1. System designed for pressure regulation of well fluid produced from wells in a hydrocarbon production field, the system comprising: - a first pump (6) in fluid communication with a first well (W1-W5), and a second pump (6) in fluid communication with a second well (W1-W5), where the pumps are arranged to receive well fluid produced from the respective wells, and to deliver the fluid to downstream piping (P1-P5) or to equipment, characterized in that - the first and second pumps each comprise a motor- and generator unit (100, 100', 100'') which can be operated as a generator by the pump being driven by well fluid in power generation mode, and by the pump being driven in power consumption mode by operating the motor and generator unit as a motor, where the pumps are operationally connected via a power distribution unit (8) configured to distribute recovered energy between the pumps or other receivers, and - the motor and generator unit further comprises permanent magnets (105) mounted in the circumference of e n rotor (101), while electromagnets and stator windings (110) are mounted on a casing (109) which encloses the rotor, the rotor (101) comprising rotor blades (104) which are curved forwards or backwards in relation to the rotor's direction of rotation (R), for transferring energy to the well fluid, respectively for absorbing energy from the well fluid.

2. Pressure regulation system according to claim 1, in that the pump (6) is a helico-axial pump which is adapted for increasing pressure in multiphase fluid.

3. Pressure regulation system according to claim 1 or 2, in that the rotor in the motor and generator unit (100, 100', 100'') comprises rotor blades (104) which are given an angle of attack (a) against the direction of flow (F).

4. Pressure regulation system according to any preceding claim, the pump comprising a set of motor and generator units (100, 100', 100'') arranged in sequence, each motor and generator unit being controlled individually via a dedicated frequency converter ( 9).

5. Pressure regulation system according to claim 6, in that the set of motor and generator units (100, 100', 100'') in the pump comprises counter-rotating rotors (101) so that each rotor that rotates clockwise follows a rotor that rotates counterclockwise.

6. Pressure regulation system according to claim 7, in that in a set of motor and generator units (100, 100', 100'') each unit is arranged to directly follow a preceding module without stationary guides inserted between the rotors in successive power - and flow modules.

7. Pressure control system according to any one of claims 3-6, in that in a set of motor and generator units (100, 100', 100'') the units are alternately specified for transferring energy to the well fluid or for absorbing energy from the well fluid by corresponding design of the rotor blades (104).

8. Pressure regulation system according to any preceding claim, the power distribution unit (8) containing control logic which determines whether the pump shall operate in power consumption mode or in power generation mode.

9. Pressure regulation system according to claim 8, in that the current well fluid pressure is monitored and reported to the power distribution unit (8) from pressure sensors (11) which are arranged on well heads (5).

10. Pressure regulation system according to any preceding claim, in that the pumps are arranged on wellheads (5) and can be operated to equalize pressure in well fluid produced from wells (W1-W5) which produce with different well fluid pressures.

11. Pressure regulation system according to any preceding claim, the pumps being arranged on an installation module which can be connected to a wellhead, an underwater or surface valve tree.

12. Pressure control system according to any preceding claim, the pumps being arranged on downstream piping and operable to equalize pressure in fluid streams with different pressures in connecting bridges, manifolds, riser bases, PLEM or other pipelines installed at a hydrocarbon production facility.

13. Method for controlling pressure in well fluid produced from wells (W1-W5) in a hydrocarbon production field, the method comprising: - installation of a pump (6) for each individual well and in fluid communication with it, to receive fluid produced from the relevant well and to deliver the fluid to downstream piping (P1-P5), each pump comprising a motor and generator unit (100, 100', 100''), according to any of claims 1-11, characterized by- increase flow and pressure in delivered fluid by operating the pump as a motor in power consumption mode, and - to reduce flow and pressure in delivered fluid by operating the pump as a generator in power generation mode, with recovered power in power generation mode being distributed between the pumps or other receivers via a power distribution unit (8) which is operationally connected to the pumps.