NO20141344A1 - System for å muliggjøre kald brønnstrøm av voks- og hydratutsatt hydrokarbonfluid - Google Patents

Description

System for å muliggjøre kald brønnstrøm av voks- og hydratutsatt hydrokarbonfluid

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelse vedrører et system som er innrettet til å sikre stabil transport av voks- og hydratutsatt rå hydrokarbonfluid i undersjøiske rørledninger under trykk-og/eller temperatur betingelser for dannelse av voks og hydrater som vanligvis betegnes som kald brønnstrøm. Nærmere bestemt vedrører foreliggende oppfinnelse et system konstruert for å muliggjøre kald brønnstrøm av voks- og hydratutsatt hydrokarbonfluid ved utfelling og desintegrering av faststoffer.

Bakgrunn for oppfinnelsen og tidligere kjent teknikk

Føring av hydrokarbonbrønnfluid gjennom undersjøiske rørledninger over lange avstander hvor temperaturen i fluidet faller under temperaturer der størkning av voks eller hydrater kan forventes, innebærer særlige problemer med utfelling og avsetning av faststoff i fluidmassen eller på rørledningsvegger, noe som til slutt kan føre til tilstopping og struping av rørledningen.

En velkjent og meget brukt fremgangsmåte for å unngå struping av en rørledning under stilstander for kald brønnstrøm medfører frigjøring av faststoffavsetninger fra rørlednings-veggen ved hjelp av en plugg som blir sendt inn i rørledningen for å bli ført med brønnfluidet, en fremgangsmåte som vanligvis blir kalt «pigging». Plugger eller «pigs» blir ofte sendt inn i rørledningen i en oppstrøms ende av en strømningsseksjon for kald brønnstrøm og fjernet fra rørledningen i en nedstrøms posisjon, slik f.eks. ved overflateplattformen. Pigging krever undersjøiske installasjoner i form av plugg-lager, manifolder og ventiler for å utsende og fjerne plugger fra rørledningen.

Det er også en kjent teknikk, se f.eks. US 8,256,519 B2, å tillate tilstander for kaldbrønnstrøm ved maserasjon av faststoffer som er blitt avsatt eller kan avsettes i en oppstrøms posisjon, og på denne måten danne et slurry som blir sendt inn i rørledningen og transportert gjennom strømningsseksjonen for kald brønnstrøm.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Et mål med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe et alternativt system for utfelling av faststoffer i et hydrokarbonbrønnfluid, og for suksessiv desintegrering eller maserering av de slik dannede faststoffene for videre transport med brønnfluid i en rørledning ved tilstander for kald brønnstrøm.

Et annet mål med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe et system for utfelling og desintegrering av hydrokarbonfast-stoffer som tillater kald brønnstrøm gjennom en strukturmessig enkel konstruksjon som er pålitelig i drift.

Enda et annet mål med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe et system for utfelling og desintegrering av hydrokarbonfast-stoffer i modulær konstruksjon som er lett å skalere opp eller ned.

Enda et annet mål med foreliggende oppfinnelse er å fremskaffe et system for utfelling og desintegrering av hydrokarbon-faststoffer i en kompakt konstruksjon og med gode kontrollmuligheter.

Ett eller flere av disse målene vil være oppfylt i et system for å muliggjøre kald brønnstrøm av voks- og hydratutsatt hydrokarbonfluid, der systemet omfatter følgende: en kjølesylinder med tilstrekkelig lengde for å tillate faststoffer å felle ut og avsettes på innsiden av kjølesylinderen mens hydrokarbonfluid passerer gjennom kj ølesylinderen, • en roterbar skraper som strekker seg gjennom kjølesylinderen, der den roterende skraperen er i stand til å frigjøre biter av faststoff fra avsetningene på innsiden av kjølesylinderen, • der skraperen blir drevet til å rotere av en elektromotor som er installert i fluidstrømmen og som har en åpen rotor som tillater gjennomstrømning av fluid.

Implementering av en motor med en gjennomstrømningsrotor gir

valgfrihet i forhold til installasjon av motoren og skraperen. Motoren kan da være drivmessig koblet til enten oppstrøms ende eller til nedstrøms ende av skraperen. Motoren kan alternativt være satt inn mellom to suksessive skraperlengder. Plassering av motoren i innløpet til kjølesylinderen kan være fordelaktig, ved at rotoren i denne utførelsen unngår å bli truffet av faststoffbiter i bulkstrømmen eller å bli løsnet fra sylinderveggen av den roterende skraperen.

Motoren kan være utført som en permanentmagnet(PM)-motor idet permanentmagneter er montert i omkretsen av en åpen rotor med radielle blad, mens elektromagneter og statorviklinger er montert på en kapsling som omslutter den åpne rotoren. Permanentmagnetene kan være innrettet på et sirkulært ringelement koblet til ytterendene av rotorskovlene på et PM-motortrinn f.eks., eller permanentmagnetene kan være montert i endene av rotorskovlene. I begge tilfeller er rotorakselen drivmessig koblet til skraperakselen, direkte eller indirekte via girkasse eller annen overføring.

Utførelser av oppfinnelsen omfatter en PM-motor med en rotor med radielle blad, idet rotorskovlene har en stigningsvinkel (pitch angle) slik at de overfører motorkraft til fluidet i f.eks. en pumpe- eller trykkøkningsimplementering, eller i en blanderimplementering, idet den gjennomstrømmede rotoren opererer som skovlhjul i en strømningspumpe/aksialstrømnings-pumpe.

Utførelser av oppfinnelsen omfatter videre to eller flere PM-motorer med gjennomstrømningsrotor, innkoblet i en aksielt stablet motorsammenstilling.

Skraperen er utført i form av en skrue med et radielt blad som løper helisk rundt en senterakse. En ikke-drevet ende av skraperen kan være opplagret for rotasjon i et lagerhus, med et ringformet gjennomløp for gjennomstrømning av fluid og faststoff.

Sylinderen der utfelling foregår kan være avkjølt ved naturlig konveksjon. For dette formålet kan sylinderen være utformet med kjøleflenser på utsiden, som øker kontaktflaten for varmeoverføring til omgivende sjøvann.

Sylinderen kan alternativt ha et system med tvungen konveksjon ved at havvann blir satt i bevegelse rundt kjølesylinderen, eller ved at havvann eller annet kjølemedium blir tvunget gjennom en kjølekappe som omgir sylinderen.

Alternativt eller i tillegg til ovenstående kan kjøling være assistert ved injisering av komprimert gass, fortrinnsvis fra produksjon, inn i fluidet i kjølesylinderen, for på denne måten å forsterke utfellingen ved ekspansjonsindusert kjøling som utnytter Joule-Thompson-effekten.

Kjølesylinderen kan være innrettet nedstrøms for en passiv eller aktiv blander, idet fluidet blir homogenisert ved å blande de forskjellige fasene av et flerfasefluid fra en undersjøisk hydrokarbonbrønn.

En blander for dette formålet kan være basert på samme motorkonstruksjon som PM-motoren som driver skraperen.

Kjølesylinderen kan være innrettet oppstrøms for en malingsenhet der faststoffer i fluidet fra kjølesylinderen blir maserert til finere materie eller til slurry for videre transport under betingelser for kald brønnstrøm.

En malingsenhet for dette formålet kan være basert på samme motorkonstruksjon som PM-motoren som driver skraperen.

Blanderen og/eller malingsenheten kan være innrettet som en stablet motorsammenstilling der to eller flere suksessive rotorer blir kjørt i samme rotasjonsretning eller kontraroterende.

Kapasiteten av det foreliggende systemet for utfelling av faststoffer og desintegrering kan bli tilpasset til kravene på forskjellige måter: ved å innrette kjølesylindere i seriell eller parallell utvidelse av systemet, og/eller ved å øke lengde og diameter av kjølesylinderen.

Dersom det passer, kan systemet i henhold til foreliggende oppfinnelse brukes i et pluggsystem. Ved en slik bruk av systemet blir et kammer for å utforme hydrokarbonbaserte plugger koblet til utløpsenden av kjølesylinderen, slik at faststoff som er løsnet fra sylinderveggen og i bulkfluidet kan bli presset inn i pluggutformingskammeret av den roterbare skraperen. Pluggen kan bli sendt ut fra pluggutformingskammeret via en pluggutsendingsventil som kan frigjøre pluggen så den kan følge med brønnfluid gjennom kaldbrønnstrømseksjonen av rørledningen. Hydrokarbonpluggen kan på denne måten funksjonere som en kunstig plugg.

Kort beskrivelse av tegningsfigurene

De aspekter ved oppfinnelsen som er gjennomgått ovenfor vil nå bli forklart med henvisning til de vedlagte skjematiske tegningsfigurene. Tegningene viser som følger: Figur 1 illustrerer et utfellingskammer i et system for å muliggjøre kald brønnstrøm gjennom en undersjøisk rørledning i henhold til foreliggende oppfinnelse, Figur 2 illustrerer i et lengdesnitt utfellingskammeret på figur 1 og tilknyttede enheter som kan utgjøre en del av systemet, Figur 3 illustrerer et utvidet system som omfatter flere utfellingskamre innrettet i serie, Figur 4 illustrerer et utvidet system som omfatter flere utfellingskamre innrettet i parallell, Figur 5 viser systemet innrettet for ekspansjonsindusert kjøling, og Figur 6 viser systemet tilpasset for produksjon av hydrokarbonplugger for piggingsformål.

Detaljert beskrivelse av foretrukne utførelser

Figur 1 viser et system 1 for utfelling og desintegrering av faststoffer i en strøm F av hydrokarbonbrønnfluid, der systemet omfatter et utfellingskammer definert mellom innløpsende og nedstrøms ende av en gjennomstrømningssylinder 2, en kjøleinnretning 3 på utsiden av sylinderen, en roterbar skraper 4 som strekker seg gjennom sylinderen, der skraperen 4 har en diameter som er litt mindre enn indre omkrets i sylinderen, en motor 5 som er drivmessig koblet til skraperen, samt et lagerfundament 6 som bærer en opplagring av skraperen i en ikke-drevet ende av denne.

Som vist i større skala på figur 2, danner sammenstillingen et utfellingskammer der råfluid som er utsatt for voks og hydrater blir utsatt for trykk- og/eller temperaturbetingelser for dannelse av voks og hydrater under gjennomløp gjennom kjølesylinderen 2. De størknede produktene, se henvisning S, som avsettes på inneromkretsen i sylinderen, blir suksessivt løsnet mekanisk fra sylinderveggen 7 ved den roterende virkningen av skraperen, og skraperen driver suksessivt bitene av faststoff mot nedstrøms ende av kjølesylinderen.

For å sikre utfelling trenger kjølesylinderen 2 tilstrekkelig strømningslengde og kjølekapasitet for å redusere fluid-temperåturen til påkrevd nivå. Det kan være nødvendig å ta med en rekke prosessparametre i beregningen, slik som innløpstrykk eller -temperatur i fluidet, kjølemetode med hensyn til aktiv eller passiv kjøling eller begge deler, omgivende havvannstemperatur og undervannstrømmer f. eks. Fordi driftsforholdene endrer seg fra én applikasjon til en annen, inneholder beskrivelsen ingen råd når det gjelder lengde og diameter av kjølesylinderen. Imidlertid gir beskrivelsen, som det fremgår av følgende, eksempler på konstruksjoner som kan nyttes for å oppnå tilstrekkelig lengde av avkjølt strømning gjennom kjølesylinderen.

For eksempel kan kjøling av sylinderen oppnås på ulike måter. I utførelsen på figur 2 blir kjøling oppnådd ved sirkulering av kjølemedium i en rørlengde 8 som løper i spiral rundt sylinderen. Rør for sirkulasjon av kjølemedium kan alternativt være innrettet til å løpe langsetter eller parallelt på utsiden av sylinderen 2. Rør for kjølemedium kan være installert i en kjølekappe 9. Alternativt kan havvann bli ledet gjennom en slik kjølekappe for å gi kjøling ved tvungen varmekonveksjon. Tvungen varmekonveksjon kan alternativt oppnås ved å skape bevegelse i havvannet som omgir sylinderen. Passiv varmekonveksjon kan oppnås ved å innrette flenser eller finner på den ytre periferin av sylinderen for å øke kontaktflaten med det omgivende sjøvannet. Dersom det passer, kan tiltak for passiv og aktiv kjøling i kombinasjon påføres kjølesylinderen 2.

Utfelling kan styrkes ytterligere ved å injisere produsert gass G som fortrinnsvis er komprimert i en gasskompressor 10 før innføring i fluidet inne i sylinderen 2, som angitt med pilene på figur 5.

Med henvisning igjen til figur 2 omfatter skraperen 4 et radielt blad 11 som løper i spiral rundt en senterakse 12 og danner en helisk skrue. Nedstrøms ende av skraperen er montert for rotasjon i et lager 13. Oppstrøms ende av skraperen er drivmessig forbundet med motoren 5, slik som det blir forklart nærmere nedenfor.

I utførelsen på figur 2 er motoren 5 en permanentmagnetmotor som inneholder permanentmagneter 14 montert på en rotor 15. Elektromagnetene 16 og tilknyttede statorviklinger er innrettet på en kapsling som omslutter rotoren. Nærmere bestemt er permanentmagnetene 14 montert i ytterendene på et sett rotorblad eller rotorskovler 17 som strekker seg radielt fra en sentral aksel/rotoraksel 18. Rotoraksel 18 og rotorskovler 17 danner et skovlhjul som har en ringformet åpning gjennom motoren 5. Rotorakselen 18 er drivmessig koblet til skraperakselen 12.

Strømmen av brønnfluid gjennom denne delen av systemet følger et rettlinjet, ringformet strømningsløp gjennom motor, kjølesylinder og lagerfundament. Det presiseres at overgang mellom ringformet strømning og rørledningsstrømning åpenbart krever tilsvarende manifolder eller andre strømningsoverføringsinnretninger for å forbinde systemet til import- og eksportrørledninger som er koblet til systemet i oppstrøms og nedstrøms ende.

Motoren 5, kjølesylinderen 2 med skraperen 4 og lageret 13 danner til sammen en sentral enhet i systemet som muliggjør kald brønnstrøm. Utførelser av systemet kan imidlertid inkludere tilleggsinnretninger for hjelp til å muliggjøre betingelser for kald brønnstrøm.

I oppstrøms ende av systemet kan en blander 19 være innrettet for å oppnå jevn fordeling av voks eller hydratutsatte bestanddeler i et flerfase brønnfluid. Blanderen 19 kan være en passiv, stasjonær installasjon, med strømningsføringer 20 som skaper turbulens i brønnfluid f.eks. Alternativt kan en aktiv blander være innrettet og basert på blandeelementer som drives i rotasjon.

En aktiv blander 21 er med fordel basert på PM-motoren som blir brukt som motor 5 som driver skraperen. Nærmere bestemt kan to eller flere motorer 5 være stablet i aksiell rekkefølge og innrettet med rotorskovler 17 konstruert for å akselerere strømmen gjennom de respektive rotorene. Forsterket blanding og homogenisering av en flerfasestrømning kan bli oppnådd hvis suksessive rotorer blir operert i kontraroterende retninger. En kombinert trykkøkningsenhet/blander kan på denne måten anvendes for å forberede fluidet for prosessen for kald brønnstrøm som finner sted i kjølesylinderen.

Forbedret desintegrering og maserering av faststoff som har utløper med brønnfluidet fra kjølesylinderen, kan oppnås ved innretningen med en malingsenhet 22 i nedstrøms ende av systemet. En malingsenhet kan også være basert på PM-motoren som blir brukt som motor 5 som driver skraperen. Forbedret maserering og homogenisering av strømmen gjennom kaldbrønnstrømsystemet kan oppnås dersom suksessive rotorer av malingsenheter blir operert i kontraroterende retninger.

Systemet for å muliggjøre kald brønnstrøm i foreliggende oppfinnelse kan lett utvides for å møte forskjellige krav relatert til betingelser som råder på ulike produksjonssteder. Dette er illustrert i utførelsene på figur 3 og figur 4.

For eksempel i et tilfelle der lengden av en enkelt kjølesylinder blir bedømt som ikke tilstrekkelig for utfelling av alt innhold av voks og hydratutsatte bestanddeler i fluidet, vil utforming i serie av mange in-line kjølesylindere være en tilgjengelig mulighet for utførelse av foreliggende oppfinnelse.

Figur 3 viser et sett av kjølesylindere innrettet i en rekkeoppstilling. Hver kjølesylinder kan være utstyrt med en separat motor 5 til å drive respektive skrapere 4 i rotasjon. Alternativt kan en enkelt motor 5 eller en flertrinns/stablet PM-motor 5 bli innrettet til å drive to eller flere sammenkoblede skraperskruer i deres respektive sylindere. En trykkøkningsenhet/blanderenhet 19, 21 og en malingsenhet 22 kan være innrettet oppstrøms, henholdsvis nedstrøms for de in-line kjølesylinderene i en serieutforming.

En alternativ ekspansjonsplan er vist på figur 4 som illustrerer et sett kjølesylindere innrettet i parallell-utforming. Selv om det ikke er illustrert på figur 4 vil det fremgå at hver kjølesylinder er utstyrt som tidligere diskutert. I de oppstrøms endene kommuniserer kjølesylinderene med en importrørledning via et manifoldrør 23, og, hvis det passer, via en trykkøkningsenhet/blanderenhet 20, 21. I nedstrøms ende kommuniserer kjølesylinderene med en rørledning C for kald brønnstrøm via et manifoldrør 24 og, dersom det passer, også via en malingsenhet 22.

I en parallell utforming som på figur 4 blir strømmen F delt og fordelt på multiple kjølesylindere, som hver mottar en del av totalstrømmen. Kjølesylinderene kan dermed være konstruert med mindre diameter for å oppnå mer effektiv kjøling og utfelling.

Et system i henhold til foreliggende oppfinnelse kan videre bli utvidet til å inkludere funksjonalitet for pigging. For dette formålet blir kjølesylinderen driftsmessig koblet til et kammer 25 for utforming av hydrokarbonplugger, idet kunstige hydratplugger kan utformes til suksessivt å bli sendt ut nedstrøms via en pluggutsendingsventil 26. Operasjonen inkluderer utfelling og oppbygging av faststoff på veggen i kjølesylinderen mens ventilen blir holdt åpen. Ventilen blir så stengt, og skraperskruen roterer for å løsne og transportere faststoff for komprimering i hydrokarbonplugg-utformingskammeret. Ventilen blir så åpnet for å frigjøre hydrokarbonplugger suksessivt inn i rørledningen for kald brønnstrøm.

Det vil fremgå av beskrivelsen ovenfor at det systemet som er vist gir en stor fleksibilitet under drift, installering og evnen til å sikre kald brønnstrøm av voks/hydrat-utsatte hydrokarbon-råprodukter over lange undersjøiske avstander.

Modifikasjoner av utførelsene som er beskrevet er mulige uten å fravike omfanget av og ånden i oppfinnelsen slik den er beskrevet ovenfor og definert i vedlagte patentkrav.

Claims (15)

1. System for å muliggjøre kald brønnstrøm av voks- og hydratutsatt hydrokarbonfluid, idet systemet omfatter følgende: - en kjølesylinder (2) med tilstrekkelig lengde til å tillate faststoffer å bli felt ut og avsatt på innsiden av kjølesylinderen mens hydrokarbonfluid passerer gjennom kj ølesylinderen, - en roterbar skraper (4) som strekker seg gjennom kjølesylinderen, idet skraperen i rotasjon er i stand til å løsne biter av faststoff fra avsetningene på innsiden av kj ølesylinderen, - ved at skraperen er drevet til å rotere av en elektromotor (5) som er installert i fluidstrømmen, idet motoren har en åpen rotor (15) som tillater gjennomstrømning av fluid.

2. System i henhold til krav 1, idet motoren (5) er drivmessig forbundet med en helisk skrueskraper (4).

3. System i henhold til krav 1 eller 2, idet motoren (5) er en permanentmagnet (PM)-motor som omfatter permanentmagneter (14) montert i omkretsen av en åpen rotor (15) med radielle blad, mens elektromagneter (16) og statorviklinger er montert på en kapsling som omslutter den åpne rotoren, og idet rotorakselen (18) er drivmessig koblet til en aksel (12) på den roterbare skraperen (4).

4. System i henhold til krav 3, idet nedstrøms ende av skraperakselen (12) bæres av et lagerfundament (6) som omfatter et ringformet gjennomløp for fluid og utfelt faststoff.

5. System i henhold til hvilket som helst foregående krav, som omfatter en passiv eller aktiv blander (19, 21) installert i fluidstrømmen oppstrøms for kjølesylinderen.

6. System i henhold til krav 5, idet blanderen (21) omfatter minst én PM-motor (5) med åpen rotor (15) for gjennomstrømning av fluid.

7. System i henhold til krav 6, idet blanderen (21) omfatter to eller flere motorer (5) i stablet sammenstilling, som har åpne rotorer (15) drevet i kontraroterende eller i samme rotasj onsretning.

8. System i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet en malingsenhet (22) er installert i fluidstrømmen nedstrøms for kjølesylinderen.

9. System i henhold til krav 8, idet malingsenheten omfatter en PM-motor (5) med åpen rotor (15) for gjennomstrømning av fluid.

10. System i henhold til krav 9, idet malingsenheten (22) omfatter to eller flere motorer (5) i stablet sammenstilling med åpne rotorer (15) som blir drevet i kontraroterende eller i samme rotasjonsretning.

11. System i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet et kammer for utforming av hydrokarbonplugg (25) er koblet til utløpsenden av kjølesylinderen (2), og plugg-utf ormingskammeret kan kobles til en rørledning (C) for kald brønnstrøm via en pluggutsendingsventil (26).

12. System i henhold til hvilket som helst foregående krav, som omfatter to eller flere kjølesylindere (2) innrettet i parallell, der hver av disse omfatter minst én PM-motor (5) drivmessig koblet til en intern roterbar skraper (4).

13. System i henhold til hvilket som helst av kravene 1-11, som omfatter to eller flere kjølesylindere (2) innrettet i serie, der minst én av disse omfatter en PM-motor (5) drivmessig koblet til de interne roterbare skraperne (4).

14. System i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet kjølesylinderen (2) blir avkjølt ved hjelp av naturlig konveksjon, tvunget konveksjon eller annen kjøleteknologi.

15. System i henhold til hvilket som helst foregående krav, idet kjølesylinderen (2) omfatter innløp for injisering av komprimert gass (G) for å forbedre utfelling av faststoffer ved ekspansjonsindusert kjøling.