NO177204B - Fremgangsmåte og et system for å hindre pluggdannelse i et rörledningssystem - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte og et system for å hindre pluggdannelse i et rørledningssystem ved samtidig transport av gass og væske gjennom rørledningssystemet.

I oljeindustrien offshore er det vanlig praksis at olje og gass blir transportert samtidig som en flerfaset fluidblanding gjennom en undersjøisk rørledning til en gass/væske-separator på en plattform. Den flerfasede fluidblanding kan bestå av veksel-vise porsjoner av væske og gass. Under visse strømningsforhold kan det lett dannes væskeplugger som kan føre til alvorlig plugging, dvs produksjon av et strømningsmønster som veksler mellom ingen strømning, store væskeplugger og store gasstrøm-ninger ved utgangen av rørledningssystemet. Levering av et slikt vekslende mønster av væskeplugger og gasstrømninger til en gass/væske-separator reduserer separasjonseffektiviteten, idet separatoren må drives med akseptable trykkvariasjoner og bør levere et akseptabelt lavt væskeinnhold i gassutløpsrøret og en akseptabelt lavt gassinnhold i væskeutløpsrøret.

En fremgangsmåte for å hindre pluggdannelse i et rørledningssystem under samtidig transport av gass og væske gjennom rørledningssystemet er vist i Oil & Gas Journal, 12 november 1979. I denne kjente fremgangsmåte er det på toppen av et stigerør anordnet en ventil som reguleres manuelt eller automatisk slik at den minimerer rørledningens trykk oppstrøms fra stigerøret, og til å minimerer differensialtrykkvariasjonen i stigerøret. Sendere installert i en undersjøisk del av rørledningssystemet brukes til å sende trykksignaler for å regulere ventilen. Denne kjente fremgangsmåte er basert på den antakelse at alvorlig pluggdannelse bare forekommer i rørled-ninger med en seksjon som skråner nedover sett i strømningsret-ningen, og at pluggdannelse kan hindres ved å regulere den volumetriske fluidstrøm som en funksjon av trykkvariasjoner. I en annen fremgangsmåte blir pluggdannelse hindret ved struping med en konstant åpning ved rørledningens nedstrømsende.

Uttrykket "strøm" benyttes til å betegne volumetrisk strømningsmengde eller overfladisk hastighet som er lik den volumetriske strømningsmengde dividert med rørets tverrsnit-tsareal .

Alvorlig plugging kan imidlertid også forekomme i rørledninger uten en seksjon som skråner nedover. Plugging kan faktisk oppstå i hvilket som helst rørledningssystem som transporterer både væske og gass.

Et mål for den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en forbedret fremgangsmåte for å hindre alvorlig plugging i et rørledningssystem. Et videre mål er å hindre pluggdannelse i slike systemer uten behov for å ha trykksendere i en undersjøisk del av systemet.

De ovenfor anførte mål oppnås med fremgangsmåten og rørledningssystemet ifølge foreliggende oppfinnelse, slik den er definert med de i kravene anførte trekk.

Det er antatt at alvorlig plugging kan forårsakes av to forskjellige fysiske mekanismer, nemlig væskeansamling ved et lavt punkt i rørledningssystemet og dermed blokkering av gasstrømmen, og en væskeplugg som forårsaker en liten reduksjon i hastigheten og dermed strømningen i rørledningen når den passerer en oppad skrånende del av rørledningen, og dermed forårsaker en liten økning i gasstrykket og væskeansamlingen oppstrøms fra den oppad skrånende del, for eksempel et stigerør.

Når væskepluggen forlater den oppad skrånende del vil strømmen akselerere litt på grunn av øket gasstrykk. En neste plugg, oppstrøms fra den plugg som forlater den oppad skrånende del blir også akselerert, og fjerner dermed den økede væskeansamling. Derfor vokser også denne neste plugg, hvilket senere fører til mer intense variasjoner i hastighet. På denne måte oppstår det væske-plugger med økende lengde, som så blir uttømt fra rørlinjesystemet. Den andre mekanisme kan understøtte den første mekanisme, men man har funnet at denne også oppstår når det ikke er et lavt punkt i rørledningssystemet.

For å hindre denne alvorlige plugging, er det et krav til styringen å opprettholde en i hovedsak konstant blandings-hastighet.

Seksjonen er fortrinnsvis nedstrømsenden på et rørled-ningssystem som er plassert på en plattform eller på land.

I en passende utførelse- av den foreliggende oppfinnelse, blir hastighetsvariasjoner av væskeplugger og sterke gasstrømninger undertrykket ved å minimere forskjellene mellom øyeblikksverdien av en volumetrisk fluidstrøm U(t) og en midlere volumetrisk fluid-strøm Um. Denne midlere volumetriske fluid-strøm Um er definert som tids-gjennomsnittet av øyeblikksverdien av volumetrisk fluidstrøm U(t) i seksjonen.

Trinnet med å justere styreanordningen for strømningen er med fordel utført ved å bruke en reguleringsanordning som mottar inngangssignaler som representerer fluidstrøm i denne seksjon. På denne måte blir styreanordningen for strømmen passende justert.

Det er mer fordelaktig at rørledningssystemet omfatter en gass/væske-separator som er utstyrt med et gass-utløpsrør og et væske-utløpsrør, hvor trinnene for å bestemme fluidstrøm og å justere styreanordningen omfatter å måle øyeblikksverdien for en væskestrøm ved hjelp av en volumetrisk strømningsmåler for væske i væske-utløpsrøret på separatoren, å måle øyeblikksverdien for gasstrøm ved hjelp av en volumetrisk strømningsmåler for gass i gassutløpsrøret på separatoren, å bevirke at reguleringsanordningen bestemmer fluidstrøm ved å addere de målte øyeblikks-verdier for gasstrøm og væskestrøm, å bevirke at reguleringsanordningen oppnår et tidsgjennomsnitt for fluidstrøm over en forholdsvis lang tidsperiode og å bevirke at reguleringsanordningen justerer styreanordningen for å minimere avvik av en fluidstrøm fra tidsgjennomsnittet for slik strømning.

Ved måling av øyeblikksverdiene for gass- og væskestrøm separat, oppnår man nøyaktige mengder av fluidstrøm og tids-gjennomsnittet for fluidstrøm.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives gjennom eksempler og under henvisning til figur 1, som viser et rørled-ningssystem for å utføre fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Rørledningssystemet omfatter en rørledning 1 som strekker seg til sjøbunnen 3 fra et ikke vist brønnhode på en offshore plattform 5, en oppad skrånende rørledningsseksjon i form av et stigerør 7 forbundet med plattformen 5, en gass/væske-separator 9, et væske-utløpsrør 13 og et gass-utløpsrør 15 på separatoren 9. Stigerørets 7 øvre ende er rørledningssystemet ende nedstrøms.

Stigerøret 7 er ved sin øvre del utstyrt med en styreanordning i form av en styreventil 11 for å styre fluid-strømmen gjennom stigerøret 7. Ventilen 11 kan omfatte en virvel-forsterker som beskrevet i The Oilman fra august 1987, side 82-85. En trykkmåler 12 er anordnet på den øvre del av stigerøret 7 og oppstrøms fra styreventilen 11. En volumetrisk strøm-ningsmåler 17 for gass er anordnet i gassutløpsrøret 15, og en volumetrisk strømningsmåler 19 for væske er anordnet i væske-utløpsrøret 13. Separatoren 9 er videre utstyrt med en væske-nivåmåler 25 og en trykkmåler 27. Gass-strømningsmåleren 17, væske-strømningsmåleren 19, væske-nivåmåleren 25, trykkmåleren 12 og trykkmåleren 27 er forbundet med en reguleringsanordning

30 for å regulere styreventilen 11.

Under drift av rørledningssystemet på figur 1, strømmer en blanding av gass og væske fra brønnhodet gjennom den undersjø-iske rørledningen 1 og stigerøret 7 inn i gass/væske-separatoren 9, og passerer dermed gjennom trykkmåleren 12 og styreventilen 11. Gass blir tømt fra separatoren 9 gjennom gassutløpsrøret 15, og væske gjennom væskeutløpsrøret 13. Den volumetriske gass-strøm i gassutløpsrøret 15 blir kontinuerlig målt ved bruk av gassmåleren 17, og den volumetriske væskestrøm i væskeutløpsrøret 13 blir kontinuerlig målt ved bruk av væskemåleren 19. Væskenivået i separatoren 9 blir kontinuerlig målt ved bruk av væske-nivåmåleren 25, og trykket i separatoren 9 blir kontinuerlig målt ved bruk av trykkmåleren 27. Trykket i den øvre del av stigerøret blir kontinuerlig målt ved bruk av trykkmåleren 12.

Reguleringsanordningen 30 bruker øyeblikksverdien for volumetrisk gass-strøm Ug(t) målt med gass-strømmåleren 17 og øyeblikksverdien for væskestrøm Ux(t) målt med væske-strømningsmåleren 19 som inngangsparameter. Øyeblikksverdien for volumetrisk fluidstrøm U(t) beregnes ved reguleringsanordningen 30 som

og den midlere volumetriske fluidstrøm Um blir senere kalkulert med innretningen 30 som tidsgjennomsnittet av U(t).

Når en væskeplugg entrer stigerøret blir strømmen deselerert, slik at en reduksjon i U(t) vil bli målt av reguleringsanordningen 30. Forskjellen mellom U(t) og Um vil således øke. Styreventilen 11 åpnes nå ytterligere av reguleringsanordningen 30 inntil forskjellen mellom U(t) og Um forsvinner eller blir meget liten.

Det har vært utført eksperimenter i et rørledningssyst-em bestående av en horisontal seksjon på 50 m lengde, en nedad skrånende seksjon på 50 m lengde (fallvinkel på 2° fra horison-talplanet), og en vertikal stigerørseksjon på 16,2 m lengde. På oppstrømsenden av rørledningssystemet har et kar på 230 liter vært koplet til systemet, og dette karet simulerer en ytterligere horisontal seksjon på 120 m. Den interne diameter i seksjonene var 0,05 m. På toppen av stigerøret, nedstrømsenden på rørled-ningssystemet, var det anordnet en separator. Under testen ble separatoren tømt med en konstant strømmengde som er lik den volumetriske strømmengde for væsken i oppstrømsenden på rørled-ningssystemet .

Det ble utført tester med en luft/vann-fluidblanding hvor vannet inneholdt 2 vekt% monoetylenglykol, gassens overflatehastighet og væskens overflatehastighet ved rørledningens oppstrømsende på var hhv 0,4 m/s og 0,18 m/s, og rørledningens lengde var slik at det oppstod alvorlig plugging.

Væskeinnholdet i separatoren varierte med 1,5 ganger volumet i stigerøret, og gasshastigheten nådde en topp på 12,5 m/s ved slutten av en periode i hvilken det ikke var noen strøm, dvs produksjonsstans.

Med et system som beskrevet, hvor variasjonene i den volumetriske strømningsmengde av gass/væske-blandingen i stigerøret er minimert, ble det funnet at nivåvariasjonene ble redusert, gasshastigheten var lik 0,4 ±0,8 m/s, og det var ingen produksj onsstans.

Under pluggdannelse, når enden på en væskeplugg passerer basen på stigerøret 7, blir det hydrostatiske trykkfall over stigerøret 7 redusert, slik at gass under høyt trykk oppstrøms fra pluggen har en tendens til å akselerere resten av pluggen i stigerøret 7. Under denne fase blir ventilen 11 gradvis lukket av reguleringsanordningen 30 for å unngå en økning av U(t) til en verdi over Um.

Trykkmåleren 12 blir brukt til å overvåke langtidsendringer i trykket i stigerøret 7, dvs trykkendringer over lengre tidsperioder enn for trykkvariasjoner på grunn av den avbrutte strøm av plugger gjennom stigerøret 7. Langtidstrykkendringer kan oppstå på grunn av forskjellen mellom massestrømmene ved innløpet, som er innstilt, og utløpet av rørledningssystemet. En slik forskjell tyder på at mengden av Um, som brukt av reguleringsanordningen 30 for å minimere forskjellen mellom U(t) og Um, er ukorrekt. Hvis en langtids-trykkøkning blir målt, blir den nevnte mengde av Um øket, og på liknende måte, hvis en langtids trykkreduksjon blir målt, blir mengden av Um redusert.

I en alternativ fremgangsmåte ifølge oppfinnelsen omfatter rørledningssystemet en gass/væske-separator som er utstyrt med et gassutløpsrør med en første styreventil, og et væskeutløpsrør med en andre styreventil, og trinnet for justering av styreanordningen omfatter justering av de nevnte styreventiler som følge av variasjoner i fluidstrøm. I denne utførelse er det ingen styreventil 11 oppstrøms fra separatoren 9.

Normal drift av den alternative installasjon likner på den normale drift av installasjonen med henvisning til figur 1, unntatt at styreventilene i væskeutløpsrøret og gassutløpsrøret på separatoren blir operert på en slik måte at de minimere forskjellen mellom U(t) og Uro, i steden for å styre ventilen i den øvre del av stigerøret.

Fluidstrømmen (som er summen av strømmene) er direkte proporsjonal med produktet av trykkfallet over styreventilen 11 og størrelsen på ventilens strømningsåpning. Trykkfallet er således en indikator for fluidstrøm, og styreventilen 11 kan justeres som respons på variasjoner i trykkfallet over ventilen, for å minimere variasjoner i fluidstrøm.

Claims (14)

1. Fremgangsmåte for å hindre pluggdannelse i et rørledningssystem ved samtidig transport av gass og væske gjennom rørledningssystemet, KARAKTERISERT VED å innrette en styreanordning til å styre strømmen av gass og væske i en seksjon av rørledningssystemet, å bestemme en fluidstrøm, definert som summen av øyeblikksverdiene for strømmen av gass og væske i seksjonen og å justere styreanordningen for å minimere variasjoner i fluidstrømmen i seksjonen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED å benytte en reguleringsinnretning som mottar inngangssignaler som representerer fluidstrømmen i seksjonen for å justere styreanordningen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at rørledningssystemet omfatter en gass/væske-separator utstyrt med et gass-utløpsrør og et væske-utløpsrør, og at bestemmelsen av fluidstrømmen og justeringen av styreanordningen omfatter å måle øyeblikksverdien for væskestrømmen med en måler for volumetrisk væskestrøm i væskeutløpsrøret på separatoren, å måle en øye-blikksverdi for gass-strømmen i gassutløpsrøret på separatoren med en måler for volumetrisk gasstrøm, å påvirke reguleringsanordningen for å bestemme fluid strømmen ved å addere de målte øyeblikksverdier av gass- og væskestrøm, å påvirke reguleringsanordningen til å beregne et tidsgjennomsnitt for fluidstrømmen over et forholdsvis langt tidsintervall, å påvirke reguleringsanordningen til å justere styreanordningen for å minimere avviket av fluidstrøm fra tidsgjennomsnittet for slik strømning.

4. Fremgangsmåte ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at rørledningssystemet omfatter en styreventil ved eller nær nedstrømsenden på seksjonen, og at justeringen av styreanordningen omfatter justering av styreventilene for å minimere variasjoner i fluidstrømmen i seksjonen.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1-3, KARAKTERISERT VED at rørledningssystemet omfatter en gass/væskeseparator som er utstyrt med et gassutløpsrør med en første styreventil og et væskeutløpsrør med en andre styreventil, og ved at trinnene for justering av styreanordningen omfatter justering av de nevnte styreventiler for å minimere variasjoner i fluidstrømmen i seksjonen.

6. Fremgangsmåte ifølge foregående krav, KARAKTERISERT VED at rørledningssystemet omfatter en trykkmåler i seksjonen, og å måle langtidstrykkendringer med trykkmåleren, og å justere styreanordningen for å minimere langtidstrykkendringene.

7. Rørledningssystem med en anordning for å hindre pluggdannelse i en rørledning (1) under overføring av gass og væske gjennom systemet, KARAKTERISERT VED en styreanordning for å styre strømmen av gass og væske i en seksjon av rørledningen (1), en anordning for å bestemme en fluidstrøm, definert som summen av strømmen av gass og væske i seksjonen, omfattende en strømningsmåler (19) for væske i et uttak for væske, og en strøm-ningsmåler (17) for gass i et uttak for gass i en gass/væske-separator som utgjør en del av røledningssystemet, og en anordning for å justere styreanordningen for å minimere variasjoner av fluidstrømmen i seksjonen, omfattende en reguleringsanordning (30) innrettet til å motta signaler som representerer fluidstrømmen i seksjonen.

8. Rørledningssystem ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at styreanordningen omfatter en styreventil (11) ved eller nær seksjonens nedstrømsende.

9. Rørledningssystem ifølge krav 7, KARAKTERISERT VED at styreanordningen omfatter en første styreventil i et gassut-løpsrør (15) og en annen styreventil i et væskeutløpsrør (13) på en gass/væske-separator anordnet i rørledningssystemet.

10. Rørledningssystem ifølge krav 7-9, KARAKTERISERT VED at reguleringsanordningen mottar inngangssignaler fra strømmålerne (17, 19) for hhv væske og gass.

11. Rørledningssystem ifølge krav 7-10, KARAKTERISERT VED at seksjonen utgjør rørledningssystemets ene endeområde.

12. Rørledningssystem ifølge krav 7-11, KARAKTERISERT VED at seksjonen er utformet av et stigerør (7) som er forbundet med en offshoreplattform (5).

13. Rørledningssystem ifølge krav 8-12, KARAKTERISERT VED at en trykkmåler (12) er innrettet til å måle langtidstrykkendringer i seksjonen, og at reguleringsanordningen mottar inn gangssignaler fra trykkmåleren (12).

14. Rørledningssystem ifølge krav 7-13, KARAKTERISERT VED at styreanordningen omfatter en styreventil (11).