Undervanns produksjonssystemer

Transkript

1 1 Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å håndtere en syklonseparator i et undervanns prosesseringssystem i samsvar med ingressen til det etterfølgende krav 1. 5 Forholdene i et undervanns prosesseringsmiljø er svært forskjellige fra de som er opplevd i et overflate-prosessystem eller et landbasert prosessystem. Undervanns produksjonssystemer De siste to tiårene har undervanns produksjonssystemer vært i utstrakt bruk for å produsere olje og gass fra dypvannsfelt der flytende produksjonsenheter som plattformer og FPSO er er det mest økonomiske og teknisk gjennomførbare valget. Undervanns juletrær (ventiltrær) og transporterende forbindelseslinjer tas i bruk for å transportere gassen og oljen fra brønnhodet og til den mottagende plattformen. Produksjonssystemet optimaliseres ofte med hensyn på det faste høye nivået på produksjonsraten, som ofte finner sted tidlig i feltets levetid. I feltets senere levetid vil avtagende reservoartrykk og økende væskeinnhold, hovedsakelig på grunn av vannproduksjon, begrense produksjon av hydrokarboner. I tillegg kan det være at produksjonsfasilitetene ikke er i stand til å behandle det produserte vannet uten kostbare modifikasjoner. Når videre produksjon ikke er økonomisk eller gjennomførbar vil produksjonen bli avsluttet. Undervannspumper og undervanns separasjonssystemer En måte å forlenge feltets levetid og å øke det akkumulerte produksjonsvolumet av gass og olje er å unngå flaskehalsene som blir introdusert med den økte vannproduksjonen. Ved å skille vann fra hydrokarbonstrømningen i et separasjonssystem lokalisert på havbunnen, kan trykkfallet i de nedstrøms forbindelsesledningene og stigerørene reduseres og det er ikke noe behov for økt vannbehandlingskapasitet ved overflateenheten. Det separerte vannet fra undervanns separasjonssystemet kan reinjiseres inn i et reservoar for lagring, eller reinjiseres tilbake inn i reservoaret og brukes som trykkstøtte i reservoaret for den pågående gass/oljeproduksjonen. Vanninjeksjon i hydrokarbonreservoarer Vanninjeksjon i hydrokarbonreservoarer assosieres ofte med strenge krav. Én fordel med å reinjisere det produserte vannet tilbake inn i hydrokarbonreservoaret er at faren for å forurense reservoaret med for eksempel oksygen og bakterier er lav. Imidlertid, for ikke å tette igjen reservoaret, bør mengden av faststoffpartikler og oljedråper i det produserte vannet minimiseres.

2 5 2 Fjerning av sand fra det produserte vannet gjøres hovedsakelig ved å la faststoffpartiklene legge seg i separatoren. Sanden som har lagt seg kan senere fjernes i en partivis operasjon og utskilles inn i hydrokarbonrørlinjen for transport til et mottaksanlegg på overflaten. Imidlertid vil de minste sandpartiklene ikke sette seg i separatoren, og anvendelse av sandsykloner kan være nødvendig for å fjerne disse fra det produserte vannet. I syklonene dreneres sandpartiklene med høyere tetthet gjennom underløpet til syklonen og lagres for senere fjerning eller reinjiseres direkte inn i hydrokarbonstrømningen. Vannet som er fritt for faststoff vil forlate syklonen gjennom overløp-utløpet. På samme måte som de mindre sandpartiklene, vil mindre oljedråper også følge vannutløpet i separatoren. Her kan også sykloner tas i bruk for å fjerne denne oljen fra det produserte vannet i et finrensesteg. Væske-væske sykloner Væske-væske sykloner er i utstrakt bruk i olje- og gassindustrien. Denne typen sykloner er en prosessanordning som brukes til å separere væsker med forskjellig tetthet. Syklonseparasjon brukes til å rense vann ved å fjerne oljedråper. Disse væske-væske syklonene kalles noen ganger for oljeutskillere. En syklonseparator vil normalt ha en sylindrisk seksjon ved toppen der væske blir matet tangentialt, og en konisk base. Vinkelen, og dermed lengden av den koniske seksjonen, spiller en rolle i å bestemme karakteristikkene for drift. En syklon har to utganger i aksen: den mindre på bunnen (underløp eller avvisning) og en større ved toppen (overløp eller aksept). Underløpet er vanligvis den tettere eller tykkere fraksjonen, mens overløpet er den lettere eller mer fluide fraksjonen. I en typisk væske-væske syklonseparator, tatt i bruk i et undervanns prosessystem, vil den lettere fasen være oljefasen, som vil utgjøre overløpet, mens den tettere fasen vil være vannfasen, som vil utgjøre underløpet. Internt motvirkes sentrifugalkraft av resistansen til væsken, med den effekt at større eller tettere dråper transporteres til veggen for sluttelig utførsel ved avvisningssiden (underløp) med en begrenset mengde av væske, mens de finere, eller mindre tette dråpene, forblir i væsken og går ut ved overløpssiden gjennom et rør som strekker seg noe inn i syklonens legeme ved sentrum. 40 Det er iboende i konstruksjonen av syklonen at kun én av de to fasene fra syklonen kan være den rensede fasen, vanligvis vil dette være den tettere vannfasen. En ren vannfase som underløp fra syklonen oppnås kun ved å tillate raten av overløp fra syklonen å være større enn raten av olje som kommer inn i syklonen, dvs. oljen i overløpet vil inneholde en fraksjon av

3 3 vann. Dette flow-splittforholdet kontrolleres ved å justere trykkforholdet mellom inntak og overløp og inntak og underløp. 5 Som det brukes heri, inkluderer termen en syklonseparator også en anordning med flere sykloner anordnet for parallell drift. Trykktapet gjennom en syklonseparator kan ofte kreve at både overløpet og underløpet trykksettes. I en typisk undervannskonfigurasjon vil overløpet som inneholder den lettere fasen trykksettes for transport tilbake inn i hydrokarbonstrømningen. Undervannspumper Undervannspumper har blitt mer og mer populære for økende produksjon fra undervannsbrønner. Disse pumpene kan enten settes direkte inn i brønnstrømmen, ofte i form av en multifasepumpe, eller være en del av et undervanns prosessystem. Dersom væsken er separert fra gassen, kan typisk rotordynamiske pumper, som en sentrifugalbasert pumpe, tas i bruk for å skyve væsken gjennom et dedisert strømningslinjesystem til den mottagende overflateenheten. Sentrifugalbaserte pumper kan også tas i bruk for å reinjisere separert produsert vann tilbake inn i reservoaret. Ettersom noe gass kan blåse ut fra væsken mellom en separator og pumpen på grunn av trykktap, må en sentrifugalbasert pumpe tolerere noe gass. Tester har vist at noe gass (opp til-%) kan være tilstede i væsken uten for mye reduksjon av ytelse. WO 03/ beskriver et reguleringssystem som ved hjelp av strømkontrollventiler og gass/olje/vann-sensorer tar sikte på å oppnå en optimal undervannsseparasjon av gass, olje og vann. Olje- og vannpumper brukes for å pumpe væskene ut av separatorutløpene for overløpet og underløpet og for eventuell resirkulasjon av vannet tilbake til separatoren. Pumpene har separate driveenheter og pumperatene justeres uavhengig av hverandre ved å regulere turtallet på driveenheten. WO94/18432 viser til et undervannsseparatorsystem som bruker én pumpe, en såkalt dual stream pump som består to pumpekamre, et for vann og et for olje, hvor hvert kammer har separat inngang og utgang og blir drevet av en felles motorenhet. Denne publikasjonen oppviser imidlertid ikke noen løsning på kontroll av strømningsratene eller hvordan man kan få en optimal strømningsdeling for separatoren. 40 Undervannspumper er underlagt svært strenge krav på grunn av kravet om null utslipp av produsert væske til omgivelsene. Dessuten øker bruken av elektriske motorer,

4 5 4 strømforsyningssystemer og trykk-kabinetter kompleksiteten og sårbarheten til utstyret. En annen utfordring er at pumpene og strømforsyning til pumpene må være svært pålitelige ettersom en feil vil kreve en svært kostbar reparasjonsoperasjon og vil forårsake en vesentlig forsinkelse før produksjon kan gjenopptas. Til og med om en enklere type motor brukes, som en hydraulisk drevet motor, vil reparasjon fremdeles være svært kostbart. En hydraulisk motor er ikke foretrukket på grunn av potensiell lekkasje av hydrauliske væsker. Som en konsekvens av dette brukes vanligvis en elektrisk motor til å drive pumper og andre typer roterende utstyr. På grunn av de ovenfornevnte vanskelighetene er det et ønske om å være avhengig av så få elementer som mulig for å oppnå produksjon fra brønnen. Det er derfor et ønske om å ha så få pumper og motorer som mulig installert, spesielt om driften av pumpene er avhengig av hverandre slik at feil i én pumpe eller dens motor vil forårsake avstengning av den andre pumpen. Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en måte å redusere kompleksiteten av et pumpesystem ved å ta i bruk én motor til samtidig å drive to eller flere pumper, slik dette er definert i den kjennetegnende delen av det etterfølgende krav 1. Dette vil spesielt være gunstig om pumpene må drives sammen og der begge strømninger er proporsjonale med hverandre. Dette vil i de fleste omstendigheter være tilfelle i det ovenfor beskrevne væske-væske-separator syklonsystemet. Pumpene kan være koblet til motoren gjennom den samme akselen, eller ved bruk av et girkassesystem som tillater hastighetsforskjeller mellom de to pumpene. De to pumpene kan også lokaliseres inne i det samme pumpekabinettet og dele den samme rotoren. Dette betyr at to kamre er separert av en mekanisk forsegling og har separate inntak og uttak. Et undervanns prosessystem er vanligvis forbundet med et trinn med separasjon fulgt av trykksetting av oljefasen, gassfasen eller vannfasen eller en hvilken som helst kombinasjon av de separerte væskefasene. Til forskjell fra overflatesystemer eller et landbasert prosessystem, er i et undervannsmiljø muligheten til å dirigere nyttevæskestrømmer til en lavtrykksdel av prosessystemet begrenset. Avvisningsstrømmen fra en syklonseparator, som normalt vil være strupt til et lavtrykksystem, vil i et undervannssystem måtte trykksettes til hydrokarbonvæsketrykket. Undervanns prosessering er også karakterisert av høye pålitelighetskrav for prosessutstyr, på grunn av kostnadene forbundet med vedlikehold. Det er derfor et motiv i en undervannsapplikasjon å ta i bruk ett rotasjonsutstyr for flere oppgaver for å kunne øke den generelle systemtilgjengeligheten.

5 5 Foreliggende oppfinnelse tar derfor i bruk to pumper drevet av den samme motoren til å pumpe overløpet av en væske-væske syklon til ett sted og til å pumpe underløpet av den samme væske-væske syklonen til et annet sted. 5 Trykktapet gjennom en separatorsyklon er vanligvis proporsjonalt med kvadratroten av strømningsmengden. Dette gjelder både underløpet og overløpet. Derfor kan et trykkforhold over syklonseparatoren opprettholdes innen et egnet område med variasjon av pumpenes rotasjonshastighet. Videre optimalisering av trykkforholdet kan oppnås ved å ta i bruk strømningsregulatorer lokalisert på enten det ene eller det andre pumpeinntaket eller på enten det ene eller det andre pumpeutløpet, for å regulere forholdet mellom overløpet og underløpet av væske-væske syklonen. De to pumpene kan dele den samme akselen som motoren. Pumpene kan drives med den samme hastigheten eller i forskjellig hastigheter, hvis en girkasse er tatt i bruk. Pumpene kan alternativt gis en størrelse slik at de har en deplasementsforhold tilpasset til å oppnå separasjon i separatorsyklonen for alle driftsforhold. De to pumpene kan dele det samme kabinettet og muligens også rotoren, der mekaniske forseglinger og separate inntak og utløp skiller de to strømningene. Foreliggende oppfinnelse har fordelene av å redusere antallet av sårbare komponenter, og derved reduserer behovet for vedlikehold, reduserer kompleksiteten av systemet ved å redusere antallet motorer, strømforsyning og kontrollkabler og variable hastighetskontrollere på overflaten, øker tilgjengeligheten til de forskjellige komponentene, og tilveiebringer en fullt synkron kjøring av pumpene med redusert behov for et komplisert elektronisk kontrollsystem. Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj med hensyn på to forskjellige utførelsesformer, der Figur 1 viser en enkel skisse av et undervanns separatorsystem i en første utførelsesform, inkludert bruken av foreliggende oppfinnelse, og Figur 2 viser et mer sofistikert system for undervanns separasjon i en andre utførelsesform, inkludert bruken av foreliggende oppfinnelse. I figur 1 er det vist en brønnstrøm 1, som inneholder en blanding av vann og olje (den kan også til en viss grad inneholde faststoffer i form av sand og gass, men for enkelhets skyld vil brønnstrømmen behandles som kun vann og olje).

6 5 6 Brønnstrømmen ledes til en gravitasjonsseparator 2. I gravitasjonsseparatoren 2 tillates brønnvæsken å legge seg slik at olje flyter oppover og vann synker ned. Når strømmen når utløpsenden av separatoren 2, vil mesteparten av disse komponentene ha separert seg i to lag, olje på toppen og vann ved bunnen. Oljefasen (som til en viss grad fremdeles kan inneholde en fraksjon av vann) frigis til en oljeeksportlinje 3, som strekker seg til et overflateanlegg eller til kysten. Vannfasen ledes gjennom en linje 4 til en væske-væske syklonseparator 5. Funksjonen til syklonseparatoren 5 vil være velkjent for en fagperson, så en detaljert forklaring av hvordan den virker er ikke nødvendig. Formålet med syklonseparatoren er å fjerne så mye olje fra vannet som realistisk er mulig. Hvis vannet reinjiseres bør det være mer eller mindre fritt for olje. Dersom det inneholder for mye olje vil små oljedråper samle seg inn i større dråper, som kan tilstoppe formasjonsporer. Eventuelt kan denne tilstoppingen hindre vann i å komme inn i formasjonen og til slutt kan ikke formasjonen brukes til vanninjisering. Dersom vannet skal fjernes på andre måter vil det allikevel være en fordel at det inneholder så lite olje som mulig, slik at behovet for behandling av vannet blir redusert. Syklonseparatoren 5 har et overløp 6, der den lettere fasen går ut, og et underløp 7, der den tyngre fasen går ut. Mesteparten av oljen vil gå ut gjennom overløpet og mesteparten av vannet gjennom underløpet. For å kunne sikre at underløpet hovedsakelig ikke inneholder olje er det nødvendig å akseptere at overløpet inneholder en vesentlig mengde av vann. Vanninnholdet kan være så mye som 50% eller mer. Ytelsen til syklonseparatorer er i stor grad avhengig av trykket, og dermed utstrømninger, ved overløps- og underløpsutløpene. Trykkforholdet til en syklonseparator er definert som følger: PR PI PO P P I U Der P I er trykket ved innstrømningen inn i separatoren, P O er trykket ved overløpet og P U er trykket ved underløpet. Flow-splitten til en syklonseparator er definert som følger: Q FS Q O I Der Q O er strømningsraten ved overløpet og Q I er strømningsraten ved innstrømningen. For å justere ytelsen til syklonseparatoren 5 og ha så lite olje som mulig i underløpet (vannfasen), justeres trykkforholdet ved hjelp av en underløpspumpe 8 og en overløpspumpe 9.

7 5 7 Forholdet mellom pumperatene til disse to pumpene 8, 9 bestemmer flow-splitten til syklonseparatoren, dvs. jo høyere pumperaten til overløpspumpen 9 er relativt til underløpspumpen 8; jo mer vann vil være medrevet i oljen. Den relative pumperaten til pumpene 8, 9 er derfor tilpasset til et forhold der syklonseparasjonen fjerner praktisk talt all oljen fra vannfasen, men fremdeles begrenser vanninnholdet av overløpet til en rimelig mengde. Dette vil sikre at praktisk talt all oljen produsert av brønnen blir innhentet og vannet, som skal injiseres eller på annen måte deponeres, er mer eller mindre rent vann. Den åpenbare løsningen på dette ville være å bruke separate pumper drevet av separate motorer, som deretter enkelt kan individuelt justeres til å sette den ønskede flow-splitten. I foreliggende oppfinnelse vil pumpene være drevet av kun én motor. Dette betyr at pumpene 8, 9 vil måtte ha et forhåndssatt pumperate-forhold, som korresponderer med den ønskede flow-splitten. Overløpet vil være vesentlig mindre enn underløpet, så overløpspumpen 9 har en tilsvarende mindre kapasitet enn underløpspumpen. Dette kan oppnås, f.eks. ved å designe overløpspumpen med et mindre fortrengningsvolum, gire overløpspumpen til en lavere rotasjonshastighet eller en kombinasjon av disse. Vannet fra underløpspumpen 9 mates fortrinnsvis til en linje 11 for reinjisering inn i en grunnformasjon eller alternativt slippes ut i havet, forutsatt at renhetskravet på stedet er oppfylt. Det er også et alternativ å eksportere vannet til et eksternt anlegg for fjerning eller endelig behandling. Overløpet kanaliseres via en linje 12 til eksportlinjen 3 og blandes med oljen fra gravitasjonsseparatoren 2. Linjen 12 kan inkludere en strømningsregulator 13, som kan brukes til å begrense strømningen fra overløpspumpen 9 hvis det forhåndssatte pumperateforholdet til pumpene 8, 9 ikke er presist nok valgt eller vannet tatt fra gravitasjonsseparatoren 2 forandrer seg over tid. Å begrense strømningen fra overløpspumpen 9 vil øke mottrykket ved overløpet og dermed forandre flow-splitten til syklonseparatoren 5. Strømningsregulatoren 13 kan til å begynne med settes til en spesifikk strupingsinnstilling, slik at strømningen fra overløpspumpen kan justeres både opp og ned. Strømningsregulatoren kan også plasseres før inntaket av overløpspumpen 9 eller før inntaket eller etter utløpet til underløpspumpen 8. Det er også tenkelig å ha en strømningsregulator både i strømningsbanen til overløpspumpen 9 og underløpspumpen 8. Dette vil øke justeringsmulighetene. 40 Figur 2 viser en andre utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, hvor en sandfjerningsenhet 14 også er inkludert. Dette systemet innbefatter også en mulighet for resirkulering av vann. Basisfunksjonen til denne utførelsesformen er den samme som for utførelsesformen i figur 1 og vil ikke bli repetert.

8 8 5 Selv om noe sand blir fjernet i gravitasjonsseparatoren 2, som indikert ved henvisningstall, vil strømningen 4 fra gravitasjonsseparatoren 2 fremdeles inneholde noe sand. Det er ønskelig å fjerne denne i det vesentligste før strømmen kommer inn i syklonseparatoren 5. Som en konsekvens av dette settes en sandutskillingsenhet 14 som inneholder et antall sykloner inn i linjen 4. Overløpet 16 fra sandutskillingsenheten 14 inneholder i bunn og grunn kun væske. Sand (medrevet av væsken) går ut gjennom linje 17 til eksportlinjen 3, for å kunne fjernes fra oljen i et senere stadium. En resirkulasjonslinje for vann forgrener seg fra reinjiseringslinjen 11 og fører tilbake til inntaket til gravitasjonsseparatoren 2. En strømningsregulator 21 er inkludert i linjen. Linjen forgrener seg til en linje 18, som fører til sandutskillingsenheten 14. En ventil 19 er inkludert i linjen 18. En ventil 22 er inkludert i linjen mellom forgreningspunktet til linjen 18 og gravitasjonsseparatoren 2. Ved oppstart av systemet, settes det i resirkuleringsmodus. Dette betyr at i det minste noe av vannet fra underløpspumpen 8 omdirigeres tilbake inn i linje og gjennom en åpen ventil 22 til gravitasjonsseparatoren 2. Når sirkulasjonen har nådd en ønsket strømningsrate og er stabil, stenges ventil 22 slik at det separerte vannet ledes inn i reinjiseringslinjen 11. Resirkulasjon brukes også dersom innstrømningen til syklonseparatoren via linje 16 er så lav, og som konsekvens av dette at den ønskede pumperaten er så lav, at motoren ikke er i stand til å kjøre på en korresponderende lav hastighet. I et slikt tilfelle returneres en andel av vannet til inntaket av syklonseparatoren 5, via avsanderen 14 som vist eller direkte via en linje ikke vist. På denne måten vil innstrømningen til syklonseparatoren 5 økes og motoren tillates å kjøre på en høyere hastighet. Fra tid til annen må sandutskillingsenheten 14 tømmes for sand som har samlet seg på bunnen av enheten. For å kunne gjøre dette, åpnes ventilen 19 for å tillate at vann fra underløpspumpen 8 strømmer inn i sandutskillingsenheten 14. Dette vannet skyller sanden inn i linjen 17 og inn i eksportlinjen 3. Effektiviteten av utskyllingen kan reguleres av strømningsregulatoren 21 i linjen. Det er åpenbart at brønnstrømmen også kan inneholde noe gass, enten i væskeform eller i gassfase. Systemet ifølge den foreliggende oppfinnelse er i stand til å behandle denne gassen opp til en maksimal prosentandel, avhengig av typen av hydrosyklonseparator og pumper som brukes. Gassen vil i stor grad separeres ut fra strømningen sammen med oljen. 40 Selv om syklonseparatoren er vist ovenfor som å utgjøre et ekstra separasjonssteg etter en gravitasjonsseparator, er det tenkelig at syklonseparatoren kan brukes i et første separasjonssteg eller som det eneste separasjonssteget.

9 9

10 P a t e n t k r a v 5 1. Fremgangsmåte for å kontrollere en undervanns syklonseparator (5) i et undervanns prosesseringssystem for undervanns separasjon, der nevnte syklonseparator (5) er tilpasset til å separere hydrokarboner fra vann, og innbefatter å dirigere en hovedsakelig vanninneholdende væske inn i inntaket (4) til syklonseparatoren (5), ekstrahere en strøm som inneholder den vesentlige delen av hydrokarbonene fra et overløp (6) fra syklonseparatoren (5) og hovedsakelig vann fra et underløp (7) fra syklonseparatoren (5), der overløpet (6) og underløpet (7) blir individuelt trykksatt av pumper (8, 9), idet forholdet mellom pumperatene til pumpene (8, 9) bestemmer strømningsdelingen (flow-split) til syklonseparatoren (5), karakterisert ved at de individuelt trykksettende pumpene (8, 9) blir drevet av en felles motor () og at forholdet mellom pumperatene settes til å korrespondere med et valgt trykkforhold som korresponderer med valgt strømningsdeling for syklonseparatoren (5). 2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, karakterisert ved at kobling av pumpene (8, 9) til motoren () gjøres gjennom den samme akselen eller gjennom en girkasse enten mellom pumpene eller mellom pumpene og motoren. 3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at overløpsraten justeres av en strømningsregulator (13) i overløpet (6). 4. Fremgangsmåte i henhold til krav 1, 2 eller 3, k arakterisert ved at en del av det trykksatte underløpet (7) resirkuleres til oppstrøms for syklonseparatoren (5).

11 Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at hovedsakelig vanninneholdende væske dirigeres til syklonseparatoren (5) fra en gravitasjonsseparator (2). 6. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den hovedsakelig vanninneholdende væsken dirigeres til syklonseparatoren (5) fra en sandutskillingsenhet (14). 7. Fremgangsmåte i henhold til krav 6, karakterisert ved at sandutskillingsenheten (14) spyles med vann fra syklonseparatorens (5) underløp (7). 8. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at vannet fra syklonseparatorens (5) underløp (7) reinjiseres inn i en underjordisk formasjon. 9. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav 1-7, karakterisert ved at vannet fra syklonseparatorens (5) underløp (7) slippes ut i havet.. Fremgangsmåte i henhold til et hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at i det minste to syklonseparatorer (5) er koblet i en seriell konfigurasjon, og at separatorene kontrolleres og trykksettes av pumper drevet av den samme motoren

12