NO342457B1

NO342457B1 - System for injeksjon av voks- og/eller hydratinhibitor i subsea, olje- og gassfasiliteter

Info

Publication number: NO342457B1
Application number: NO20150896A
Authority: NO
Inventors: Stig Grafsrønningen; Andris Skattebo; Ola Hagemann
Original assignee: Future Subsea As
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2018-05-22
Also published as: NO20150896A1

Abstract

Det er beskrevet et system for injeksjon av voks- og/eller hydratinhibitor i subsea olje- og gass-fasiliteter, idet nevnte fasiliteter omfatter et inngangsrør (1) som mottar et flerfasefluid og som fører til en forgrening (A) som er tilknyttet et første grenrør (2) og et andre grenrør (3), idet det første grensrøret (2) omfatteren prosessenhet(P), et samlingspunkt (B) som fører sammen første og andre grenrør, og som fører til et utgangsrør (4). Systemet omfatter midler (TT1) for å bestemme temperaturen i det første grenrøret (1), midler for å bestemme strømningsraten av vann gjennom det første grenrøret, midler (IB, IV) for å injisere hydrat- og/eller voksinhibitor i det første grenrøret oppstrøms nevnte prosessenhet i en mengde basert på mengden vann og/eller olje som strømmer gjennom det første grenrøret hvis temperaturen i det første grenrøret nærmer seg eller faller under hydratekvilibriumtemperatur og/eller voksdannelsestemperatur.

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører et system og fremgangsmåte for injeksjon av inhibitor for å motvirke dannelsen av voks og hydrater i subsea olje- og gassfasiliteter.

Bakgrunn

Voks er et klebrig stoff som kan skilles ut fra olje og gass når temperaturen blir for lav. Hydrater er fast stoff som dannes når en blanding av lette hydrokarboner og flytende vann interagerer ved tilstrekkelig lave temperaturer og høyt trykk. Både voks og hydrater vil kunne delvis eller helt tette igjen rør og dermed redusere eller stoppe produksjonen av olje og gass. Dannelsen av voks finner sted når temperaturen synker under «Wax Appearance Temperature» (WAT), mens hydrater kan dannes når temperaturen blir lavere enn «Hydrate Equilibrium Temperature» (HET), en temperatur som er avhengig av trykket i systemet og fluidkomposisjonen. For å motvirke dannelsen av hydrater injiseres en hydratinhibitor (for eksempel MEG, MeOH eller EtOH) som senker HET til en verdi som er lavere enn operasjonstemperaturen. En beregning av HET som funksjon av inhibitormengde vil sørge for at det ikke brukes mer inhibitor enn nødvendig. Dette har en fordel i både økonomiske og miljøpolitiske sammenhenger. For å motvirke voksdannelse injiseres voksinhibitorer.

Fra patentlitteraturen er det kjent flere systemer hvor det måles med strømningsmålere og det injiseres inhibitor i en enkelt rørledning. Hvis slike metoder benyttes på et komplisert anlegg med flere produksjonsenheter vil hele anlegget tilføres inhibitor, også de deler som ikke har behov for det..

Nærmere bestemt beskriver WO2005119390 et system hvor det er installert fiberoptiske sensorer langs en rørledning. Sensorene måler temperatur, trykk, strømning og nivå. Fra målingene lages det en modell som forutser hvor og når det kan oppstå hydratdannelse. Hvis det er fare for dannelse av hydrater blir det injisert glykol.

GB2303716 beskriver et lignende system, for å hindre hydratdannelse i en rørledning fra et brønnhode til en kompressor. Det måles trykk, temperatur og strømningsrate. GB2303716 beskjeftiger seg mest med hvordan man bestemmer når det kan oppstå hydrater. Det nevnes flere metoder for å motvirke hydratdannelse, bl.a. regulering av strømning og trykk, eller injeksjon av inhibitor ved brønnhodet.

US2002166818 beskriver i detalj mekanismene bak dannelse av hydrater og hvordan man kan måle og forutsi dannelse av hydrater. Det er bare enkelt skissert mulige mottiltak slik som oppvarming av rørledninger og injeksjon av inhibitorer.

RU2456500 beskriver injeksjon av inhibitor i en rørledning. En felles kilde for inhibitor føres til flere parallelle grenrør som ender i rørledningen med hver sin ventil. Det synes som inhibitoren skal injiseres i flere posisjoner langs rørledningen.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Foreliggende oppfinnelse har som oppgave å sørge for at inhibering kun finner sted når det er nødvendig og at raten ikke er overdimensjonert.

Dette oppnås med et system og fremgangsmåte slik som angitt i de etterfølgende patentkrav.

Kort beskrivelse av tegningen

Oppfinnelsen skal nå beskrives i detalj med henvisning til den medfølgende tegning, Fig. 1, som er en skjematisk oversikt over det oppfinneriske systemet.

Detaljert beskrivelse

Den vedlagte Fig. 1 er en skjematisk fremstilling av et system ifølge oppfinnelsen. Systemet ifølge oppfinnelsen virker til å automatisere (1) deteksjon av når det er nødvendig med hydrat- og/eller voksinhibering, (2) utregning av hvor mye inhibitor som trengs, og (3) deteksjon av når det vil være trygt å stoppe injeksjonen. I figuren er det oppfinneriske systemet skissert for et tilfelle hvor en splitt ved A deler brønnstrømmen inn i en eller flere grener med ulik påvirkningsgrad på temperaturen. For eksempel kan en øvre gren 2, som igjen kan bestå av en eller flere undergrener, ha høy påvirkning på temperaturen, mens en nedre gren 3, som også kan bestå av en eller flere undergrener, kan ha lav påvirkning på temperaturen, og hvorav disse igjen merges ved punkt B. Ulike dimensjoner, rørlengder og valg av materialer kan for eksempel skape forskjellige påvirkningsgrader på temperaturen til brønnstrømmen. I den øvre eller første grenen 2 kan det være installert en produksjonsenhet P. Det kan oppstå problemer hvis det går lite fluid gjennom produksjonsenheten, for eksempel i perioder med liten produksjon, eller ved oppstart og planlagt/ikke-planlagt nedstengning av produksjonen. Fluidstrømmen gjennom produksjonsenheten avhenger av forskjellen i indre motstand (M) mellom de to grenene, en motstand som kan være regulerbar, og som avgjør hvor stor del av fluidstrømmen som respektivt går gjennom den øvre grenen (2) og den nedre grenen (3). Når det strømmer lite fluid gjennom den øvre grenen er det fare for at temperaturen kan falle under HET og/eller WAT, ettersom det her er større tap av varme til omgivelsene i denne grenen.

Splittpunktet A er designet for å gi lik gass/væske-fraksjon gjennom de to grenene. Den indre motstanden (M) i den øvre og nedre grenen vil kunne være forskjellig, på grunn av ulike motstandselementer, noe som sørger for at volumfraksjonen gjennom de to grenene vil kunne være ulike. I figuren er det satt inn en motstand M i den øvre grenen 2. Motstanden kan være en enhet med varierende trykkmotstand. Oppstrøms splittpunkt A er det skissert et flerfase-flowmeter MPFM som måler total vann-, olje- og gassrate igjennom produksjonsrøret 1. MPFM kan være lokalisert andre steder i systemet, både oppstrøms og nedstrøms systemet skissert i fig. 1.

Temperatursensorer er lokalisert ved utløpet av den øvre grenen (TT1), utløpet av den nedre grenen (TT2), og nedstrøms mergepunkt B (TT3). Automatisk inhibering vil foregå ved innløpet av den øvre grenen nedstrøms splittpunkt A, hvorav selve injeksjonen reguleres av en eller flere injeksjonsventiler IV som mottar inhibitor fra en eller flere inhibitorkilder (f.eks. en beholder) IB. Systemet vil også kunne omfatte en trykkmåler PT nedstrøms mergepunkt B.

De forskjellige sensorene og injeksjonsventilene er tilkoblet en prosesseringsenhet som beregner temperaturer og strømningsrater i systemet, og som styrer injeksjonen av inhibitorvæske.

Den indre motstanden M vil kunne justeres slik at temperaturen nedstrøms miksepunktet (måling vha. TT3) tilsvarer det som er ønsket. Ved liten produksjon vil den indre motstanden normalt være stor, og massefraksjonen som strømmer igjennom den øvre grenen og produksjonsenheten være liten. TT1 vil måle temperaturen nedstrøms produksjonsenheten og dermed kunne bestemme om det trengs injeksjon eller ikke. Ettersom kjemikalieinjeksjonspunktet her er lokalisert på grenen som går til produksjonsenheten, oppstrøms denne, så trenger man kun å injisere en kjemikaliemengde som tilsvarer vannmengden som går igjennom produksjonsenheten for å motvirke hydrater, gitt at temperaturen synker under HET i produksjonsenheten (fra TT1 måling). Mengde påkrevd voksinhibitor beregnes på tilsvarende vis basert på mengde olje som strømmer igjennom øvre gren og temperaturen målt av TT1. På dette viset sparer man store mengder kjemikalier (ved en massefraksjon i produksjonsenheten på 10% av total flow ved temperaturer under HET sparer man 90% kjemikalier sammenlignet med hvis man skulle injisert for å inhibitere hele flowen.)

Prosesseringsenheten er fortrinnsvis innrettet til å starte injiseringen av inhibitorvæske noe før man når henholdsvis HET og/eller voksdannelsestemperaturen.

Utfordringen er å vite hvor mye man skal injisere (mengde brønnstrøm som går igjennom den øvre grenen med produksjonsenheten og den nedre grenen er ikke kjent), spesielt etter at produksjonsenheten har operert en stund og det potensielt vil være avsetninger av f.eks. voks/scale/hydrater i produksjonsenheten og den nedre grenen. Dette vil endre trykktapene og dermed fordelingen av brønnstrømmen. Ved å inkludere tre temperatursensorer TT1, TT2 og TT3 kan man estimere massefraksjonen i den øvre og nedre grenen vha. en energibetraktning. Resultatet av denne gir da massefraksjonen igjennom produksjonsenheten som igjen sammen med målinger fra flerfasemetrene (fysiske eller virtuelle MPFM) gir input til hvor mye kjemikalier som må injiseres hvis temperaturmålingene fra TT1 viser at temperaturen er under HET og/eller WAT. Hvis man injiserer kjemikalier så vil dette igjen påvirke TT1- og TT3-målingene, m.a.o. det må utføres en ny utregning som tar hensyn til dette. Fysiske MPFM er måleapparater som er montert på systemet, mens virtuelle MPFM er beregningssystemer som estimerer rater i systemet basert på trykk og temperaturmålinger.

Som tidligere nevnt så kan den øvre og nedre grenen ha forskjellig påvirkningsgrader på temperaturen til brønnstrømmen. I tilfeller hvor den øvre grenen har høyere påvirkning på temperaturen enn den nedre grenen er det større risiko for avsetninger av hydrater og voks i denne. Ved å sammenligne utregnet massefraksjon i den øvre grenen vha. målinger fra TT1, TT2 og TT3, mot teoretisk beregnet massefraksjon av systemet uten voks og hydrater, så kan man benytte dette til å estimere om det er betydelige avsetninger i den øvre grenen, og om en renseprosess er nødvendig.

Virkemåte

Den øvre grenen nedstrøms splittpunkt A vil bestå av minst en gren, hvorav denne/disse vil bidra til større varmetap sammenlignet med grenen oppstrøms splitt A, nedre gren nedstrøms splitt A og nedstrøms mergepunkt B. Denne grenen vil dermed være den eneste med en risiko for voks- eller hydratdannelse og et behov for inhibitor. Den påkrevde mengden hydratinhibitor vil være lik mengden vann som strømmer gjennom denne grenen i det øyeblikket det er en risiko for hydratdannelse. Mengde voksinhibitor er tilsvarende avhengig av mengde olje. Foreliggende oppfinnelse er et system som automatisk oppdager et behov for inhibering, regner ut mengden inhibitor som trengs, starter injeksjon av inhibitor, og til slutt oppdager når det ikke lenger er et behov for inhibering og stopper injeksjonen. Dette gjøres ved at:

(1) En sensor ved TT1 gir kontinuerlig temperaturdata som sammenlignes med en predefinert HET og WAT. Hvis temperaturen måles til å være under HET og/eller WAT aktiveres en automatisk utregning av den påkrevde mengden inhibitor.

(2) Den påkrevde mengden inhibitor finnes gjennom å benytte måledata fra et flerfase flowmeter (MPFM) som måler total strømningsmengde gjennom systemet, og deretter estimere fraksjonen av flow gjennom den øvre grenen ved å gjøre en energibetraktning basert på temperaturdata fra TT1, TT2 og TT3.

hvor er temperaturforskjellen mellom TT1 og det omkringliggende sjøvannet, er gjennomsnittstettheten av alle fasene (olje, gass, vann) ved TT1, er volumstrømmen gjennom den øvre grenen, er gjennomsnittlig varmekapasitet til brønnstrømmen ved TT1. Dersom temperaturforskjellen mellom den nedre og den øvre grenen ikke overstiger en viss grense, vil det være naturlig å anta at tetthetene ρ og varmekapasitetene er like ved de tre temperaturmålepunktene. Dermed kan fraksjonen gjennom den

øvre grenen, finnes ved hjelp av data fra de tre temperatursensorene alene:

Dersom temperaturforskjellen mellom den øvre og den nedre grenen er stor må de relevante materialegenskapene gis som input fra en tabell før fraksjonen gjennom den øvre grenen kan beregnes.

For å få en bedre nøyaktighet hvis brønnstrømmen består av flere faser (gass, olje og vann) kan energibetraktninger for hver av fasene benyttes:

Her er fasetettheten for fase ved temperatur TT1, varmekapasiteten for fase ved TT1 osv. Materialegenskapene hentes fra tabeller basert på målt temperatur og trykk.

(3) Minst en injeksjonsventil ved innløpet av den øvre grenen åpnes automatisk av et kontrollsystem (dvs. prosessorenheten). Ventilen har en av/påkarakteristikk og er dimensjonert for å gi en bestemt kontrollert injeksjonsrate av voks- og/eller hydratinhibitor tilsvarende vannkuttet eller oljemengden som strømmer gjennom den øvre grenen.

(4) Temperaturen ved TT1 uten effekten av hydrat inhibitor regnes ut og sammenlignes med en predefinert HET. Inhiberingsprosessen vil senke temperaturen i systemet (kjemikaliene holder normalt en temperatur tilsvarende sjøvannstemperaturen), og det vil dermed ikke være mulig å bruke målingene fra TT1 direkte for å si noe om hva temperaturen vil være uten inhibitor. I noen tilfeller vil injeksjonen av inhibitorer forandre massefraksjonen mellom øvre og nedre gren. En korrigert massefraksjon igjennom øvre gren kan beregnes vha. trykktapsbetraktninger igjennom øvre og nedre gren.

(5) Injeksjonsventilen(e) ved innløpet av den øvre grenen stenges automatisk av kontrollsystemet når temperaturen (uten effekten av inhibitorer) overstiger HET og/eller WAT evt. margin.

(6) Utregnet massefraksjon i den øvre grenen vha. målinger fra TT1, TT2 og TT3 og info fra MPFM sammenlignes med teoretisk beregnet massefraksjon av systemet uten voks og hydrater for å se om en renseprosess for å fjerne avsetninger av hydrater og voks er nødvendig. Systemet gir et varsel om at rensing av enheten er tilrådelig.

Opsjoner til virkemåte

Punkt (1)-(5) beskriver en av flere mulige virkemåter for det oppfinneriske systemet, og de forskjellige opsjonene for denne teknologien vil nå bli beskrevet.

Istedenfor å predefinere HET slik gitt i punkt (1), kan denne regnes ut ved å måle trykket nedstrøms mergepunkt B med en trykkmåler PT.

Det vil være mulig å benytte oppfinnelsen i en krets hvor den øvre grenen er delt opp i N identiske undergrener nedstrøms injeksjonpunkt (IV) og som merges igjen før temperaturmålepunkt TT1. For en slik løsning vil den påkrevde mengden inhibitor per undergren være gitt av vannkuttet som måles ved MPFM multiplisert med volumfraksjonen regnet ut i (2) delt på antall undergrener N.

Det vil være mulig å benytte oppfinnelsen i en krets bestående av en isolert og en uisolert gren, hvorav den uisolerte grenen har en større motstand enn den isolerte grenen gjennom å ha minst en motstand på den uisolerte grenen, og hvor den uisolerte grenen er delt opp i N undergrener. For en slik løsning vil den påkrevde mengden inhibitor gjennom hver undergren være gitt av vannkuttet som måles ved MPFM multiplisert med volumfraksjonen regnet ut i (2) delt på antall undergrener N.

Istedenfor å automatisk åpne ventilen fra kontrollsystemet slik som beskrevet i (3), kan ventilen åpnes gjennom å ha en sekvens med holdepunkter hvor en operatør må gi klarsignal for hvert holdepunkt.

Istedenfor å automatisk åpne ventilen fra et kontrollsystem slik beskrevet i (3) kan ventilen åpnes manuelt av en operatør når et varselsystem viser at TT1 er under HET.

Istedenfor å ha en av/på konfigurasjon på injeksjonsventilen kan «Chemical Injection Metering Valves» (CIMV) brukes til å finjustere injeksjonsraten.

Stenging av injeksjonsventil kan alternativt til (5) gjøres manuelt av en operatør.

Claims

Patentkrav 1. System for injeksjon av voks- og/eller hydratinhibitor i subsea olje- og gassfasiliteter, idet nevnte fasiliteter omfatter et inngangsrør (1) som mottar et en- eller flerfase fluid og som fører til en forgrening (A) som er tilknyttet et første grenrør (2) og et andre grenrør (3), idet det første grenrøret (2) omfatter en produksjonsenhet (P), videre et samlingspunkt (B) som fører sammen første og andre grenrør, og som fører til et utgangsrør (4), samt midler (IB, IV) for å injisere hydrat- og/eller voksinhibitor i det første grenrøret oppstrøms nevnte produksjonsenhet, k a r a k t e r i s e r t v e d en temperaturføler (TT1) installert i det første grenrøret (2) nedstrøms produksjonsenheten (P), en virtuell eller fysisk flerfase strømningsmåler (MPFM) installert i det andre grenrøret, en virtuell eller fysisk flerfase strømningsmåler (MPFM) installert oppstrøms forgrening (A) eller nedstrøms samlingspunkt (B), en prosesseringsenhet innrettet til å bestemme strømningsraten gjennom det første grenrøret basert på temperaturmålinger fra nevnte temperaturføler (TT1) og strømningsmålinger fra strømningsmålerne (MPFM), idet prosesseringsenheten videre er innrettet til å kontrollere nevnte midler (IB, IV) til å injisere hydrat- og/eller voksinhibitor avhengig av strømningsraten og temperaturen i det første grenrøret.
2. System for injeksjon av voks- og/eller hydratinhibitor i subsea olje- og gassfasiliteter, idet nevnte fasiliteter omfatter et inngangsrør (1) som mottar et en- eller flerfase fluid og som fører til en forgrening (A) som er tilknyttet et første grenrør (2) og et andre grenrør (3), idet det første grenrøret (2) omfatter en produksjonsenhet (P), videre et samlingspunkt (B) som fører sammen første og andre grenrør, og som fører til et utgangsrør (4), samt midler (IB, IV) for å injisere hydrat- og/eller voksinhibitor i det første grenrøret oppstrøms nevnte produksjonsenhet, k a r a k t e r i s e r t v e d en første temperaturføler (TT3) installert i utgangsrøret (4), en andre temperaturføler (TT1) installert i det første grenrøret (2) nedstrøms produksjonsenheten (P), en tredje temperaturføler (TT2) installert i det andre grenrøret (3), en virtuell eller fysisk flerfase strømningsmåler (MPFM) installert oppstrøms forgreningen (A) eller nedstrøms samlingspunktet (B), en prosesseringsenhet innrettet til å bestemme strømningsraten gjennom det første grenrøret basert på temperaturmålinger fra nevnte temperaturfølere (TT1, TT2, TT3) og strømningsmålinger fra strømningsmåleren (MPFM), idet prosesseringsenheten videre er innrettet til å kontrollere nevnte midler (IB, IV) til å injisere hydrat- og/eller voksinhibitor avhengig av strømningsraten og temperaturen i det første grenrøret.
3. System ifølge krav 2, hvor prosesseringsenheten er innrettet til å bestemme strømningsraten gjennom det første grenrøret (2) ved å estimere fraksjonen av strømning gjennom det første grenrøret ved en energibetraktning ifølge forholdet

hvor ΔT er temperaturforskjellen mellom den aktuelle temperaturføleren (TT1, TT2, TT3) og omkringliggende sjøvann, ρ er gjennomsnittstettheten av fluidstrømmen ved temperaturføleren, Q er volumstrømmen gjennom grenrøret hvor temperaturføleren befinner seg, og Cp1er gjennomsnittlig varmekapasitet til fluidstrømmen ved temperaturføleren.
4. System ifølge krav 2, hvor prosesseringsenheten er innrettet til å bestemme strømningsraten gjennom det første grenrøret (2) ved å estimere fraksjonen

av strømning gjennom det første grenrøret ved en energibetraktning ifølge forholdet
5. System ifølge krav 3 eller 4, hvor prosesseringsenheten er innrettet til å utføre energibetraktninger for hver individuell fase i fluidstrømmen.
6. System ifølge krav 1 eller 2, hvor inngangsrøret (1), det andre grenrøret (3) og utgangsrøret (4) er termisk isolert.
7. System ifølge krav 1 eller 2, videre omfattende en motstand (M) installert i det første grenrøret (2) eller det andre grenrøret (3).
8. System ifølge krav 7, hvor motstanden (M) er en enhet med varierende trykkmotstand.
9. System ifølge krav 1, videre omfattende en første temperaturføler (TT3) og en trykkmåler (PT) installert i utgangsrøret (4), samt midler for å beregne den aktuelle hydratekvilibriumstemperaturen.
10. System ifølge krav 2, videre omfattende en trykkmåler (PT) installert i utgangsrøret (4), samt midler for å beregne den aktuelle hydratekvilibriumstemperaturen.