NO346524B1

NO346524B1 - Gassvæskeseparator

Info

Publication number: NO346524B1
Application number: NO20110615A
Authority: NO
Inventors: Tor Bruun; Bjørnar Werswick; Torbjørn Fiveland
Original assignee: Equinor Energy As
Priority date: 2008-09-24
Filing date: 2008-09-24
Publication date: 2022-09-19
Also published as: WO2010034325A1; US8894755B2; NO20110615A1; US20120000643A1

Description

Gass-væske separator

Oppfinnelsen relaterer seg til en gass-væske separator for separering av en variabel flerfasestrømning av gass og væske i en gassdominert strømning og en væskedominert strømning og videre relaterer seg til produksjonsfasiliteter for en flerfase gass-væske brønn.

Produksjon av olje og gass involverer normalt rørledningtransport fra én eller mange brønner til en nedstrømshåndteringsfasilitet, for eksempel en offshore plattform. Væsken som produseres av brønnen er for det meste en miks av gass og en væske, for eksempel olje o/eller vann med faste partikler som sand. Det er ganske vanlig i feltet for oljeproduksjon å separere gassfasen fra væskefasen. For det første så reduserer andelen gass produsert av brønnen oljestrømningskapasiteten til rørledningen og effektiviteten til produksjonspumpene. For det andre så resulterer en flerfasestrømning av gass og væske i en rørstreng, for eksempel et produksjonsrør eller en rørledning, i et varierende strømningsregime som ikke bare fører til operasjonsproblemer ved nedstrøms håndteringsfasiliteter, men kan også resultere i et pluggregime med pulserende trykksvingninger og påfølgende sammenstøt av plugger på røret og det relaterte utstyret nedstrøms av pluggen.

Strømningsregimet til et produksjonsrør eller rørledning som fører både gass og væske avhenger av flere faktorer, hvor den mest signifikante er gasshastigheten og væskehastigheten. Ved lave gass og lave væskestrømningsrater er strømningsregimet vanligvis lagdelt med gassfasen som strømmer med en raskere rate over væskefasen. Ved høyere strømningsrater kan gassen bli innblandet i væsken og bølger dannes ved et gass-væske grensesnitt. Dersom svingningene går til det punktet hvor de fyller tverrsnittet av rørledningen vil væskeplugger dannes. Siden strømningsraten til gassfasen typiske er mye høyere enn den til væskefasen så akselereres væskepluggen av gassfasen til tilnærmelsesvis den samme hastigheten som gassfasen. Et slikt væskepluggstrømningsregime kan forårsake ustabile vilkår og håndteringsproblemer for nedstrømsfasiliteter. Nedstrømsfasiliteter må være designet for slike ustabile strømningsregimer som så vil øke størrelsen og kostnadene for slikt utstyr.

For å overvinne manglene beskrevet ovenfor er det et generelt formål for oppfinnelsen å tilveiebringe fasiliteter for transformering av variable flerfasestrømning av gass og væske til en gassdominerende strømning og en væskedominerende strømning for å redusere plugger og strømningsvariasjoner i den væskedominerte strømningen.

Eksisterende teknologi for å separere en gasstrømning fra en væskestrømning gjør bruk av sylindriske separatortanker med store volum eller beholdere som sørger for et tilstrekkelig oppfangingstid av den flerfasede strømningen for å opprettholde en effektiv separering. Et eksempel på en volumbasert gass-væske separator er kjent fra GB 2239193 A. Separatoren omfatter en sylindrisk beholder som har en lengde på rundt 5 m og en diameter på 75 cm. Gass-væskeblandingsstrømningen går inn i beholderen ved en flerfase inntaksport ved en endeflate til den sylindriske beholderen. Væsken slippes ut ved en sidebunnvæskeutløpsport mens gassen strømmer ut gjennom en gassutløpsport på toppen av beholderen. Volumet på beholderen er stor nok til å dempe innkommende plugger. Gassutløpsstrømningen og væskeutløpsstrømningen er gjenforent slik at separatoren virker som en strømningsregulator for regulering av en flerfasestrømning av fluid gjennom rørledningen. På grunn av høye kostnader, volum og stor plass er ikke den volumbaserte gass-væske separatoren en foretrukket løsning for offshore eller undervannsinstallasjoner.

US4504396A vedrører en separator for separering av ikke-kondenserbare stoffer og tilsetningsstoffer fra vandig litiumbromid anvendt i kjølere av typen som bruker vann som kjølemiddel og litiumbromid som absorberingsmiddel, omfattende en beholder av tilstrekkelig størrelse, utstyrt med innløpsanordninger for væske som inneholder de ikkekondenserbare og / eller tilsetningsstoffene, utløpsanordninger for ikke-kondenserbare stoffer og for løsningen beriket med tilsetningsstoff, og utløpsanordninger for hovedmengden av løsningen utarmet av nevnte ikke-kondenserbare og / eller tilsetningsstoffer, konfigurasjonen av beholderen er slik at væsken strømmer derigjennom i en i det vesentlige laminær strøm, idet retensjonstiden i beholderen er tilstrekkelig for å oppnå den ønskede graden av separasjon. En foretrukket utførelsesform omfatter en separator med horisontal konfigurasjon, omfattende et konisk eller polyedrisk skall som har en åpningsvinkel på ca. 6 til 10°, lukket ved sin forskyvende ende av en vegg, hvor innløpsanordninger er anordnet ved den smale enden, utløpsanordninger for ikke-kondenserbare stoffer og / eller tilsetningsstoffet tilveiebringes i sin øvre ende og for hovedstrømmen til det vandige litiumbromidet i den nedre enden, ved den bredere enden av konus eller polyhedron.

En annen gass-væske separator kapabel til å dempe pluggstrømning er kjent fra US patent 5, 507, 858. Separatorene omfatter et rørformet hus som har en flerfase inntaksport aksialt på motsatte sider av huset og en væske utløpsport ved bunnen av huset. En separatorplate med et flertall av dyser eller gjennomføringshull er anbrakt i en skrå posisjon inne i huset slik at den innkommende flerfasestrømningen kan spres over platen. Mens væskestrømningen er retardert på platen og slippes gjennom åpningene i platen mot væskeutløpsporten, bli gassen som er blandet i væsken sluppet løs og slippes ut gjennom gassutløpsporten. Diameteren til det rørformede huset er flere ganger diameteren til innløpsporten for å ha en effektiv pluggdempende effekt. Siden innkommende plugger kan ha et veldig høyt moment og hastighet vil pluggene ikke passere pent og pyntlig gjennom åpningene i platen, men er i stede presset gjennom åpningene. På denne måten vil enhver fri gass blandes med væsken ettersom den øverste delen av huset over platen fylles med en væskepluggmasse. Trykkfallet ved gjennomføringshullene til platen vil gjøre væskedrenering mindre effektiv og vil senke separasjonseffektiviteten. Platen begrenser væskehøyden i huset slik at gass og væske er under samme trykk som resulterer i dårligere gass-væske separasjon.

Det er tidligere kjent teknikk som forsøker å tilveiebringe kompakte gass-væske separatorer. En hovedulempe med kompakte separatorer er at de har et begrenset operasjonsvindu med operasjonsparametre, og derfor for det meste har dårlig mulighet for å håndtere strømningsvariasjoner. En avveining må gjøres med hensyn til toleranse for gass innblandet i væskestrømningen eller overføring av væske inn i gasstrømningen. Derfor med hensyn til fasedeling, må en beslutning tas hvorvidt man skal ha en ”ren” gass-fase med et minimum innhold av væske eller en ”ren” væske-fase uten innblandet gass.

Et kompakt separasjonssystem kan omfatte en syklonseparator som den er kjent fra for eksempel ”Design and development of gas-liquid cylindrical cyclone compact separators for three-phase flow (http://www.osti.gov/bridge/servlets/purl/819517-3F3Egd/native/819517.pdf). Syklonseparatoren har en meget begrenset plugghåndteringskapasitet siden den rotasjonsmessige strømningen kan opphøre under et pluggstrømningsregime.

En annen type kompakte separatorer er beskrevet i WO 2006/098637 A1 som redegjør for en rørseparator omfattende et forlenget rørlignende legeme som har en diameter som er lik til eller litt større enn diameteren til et innløpsrør eller et utløpsrør til separatoren. Ved innløpet til det rørformede legemet er et flertall av vertikale avgassingsrør koblet til innløpsrøret. De øvre endene til avgassingsrørene er koblet til et forgreningsrør for å slippe ut gassen. Fri gass som kommer inn med en væskestrømning vil forsøke å ”rømme” gjennom de vertikale rørene og vil forlate separatoren gjennom forgreningsrøret. Effektiviteten til gass-væske separasjonen er avhengig av hvorvidt innløpsrørseksjonen under de vertikale rorene er fylt med væske eller ikke. I et pluggregime vil separate plugger av gass og væske svinge. En lang periode med gass vil forårsake drenering av væske i seksjonen av innløpsrøret under de vertikale rørene og dermed vil den neste væskepluggen dytte gass gjennom væskeutløpet til separatoren. Et annet problem med denne teknologien er forårsaket av T-forgreninger mellom de vertikale rørene og innløpsrøret. Den strømmende væsken som passerer T-forgreningene vil eksponeres for en skjærekraft som vil bryte opp gassfasen inn i mindre gassbobler som vil ha en større tendens til å passere forbi de vertikale rørene og dermed senke gasseparasjonseffektiviteten. Dersom en høy gasseparasjonseffektivitet skal opprettholdes, må operasjonsvinduet med hensyn til pluggstrømning og høy strømhastighet reduseres.

Ytterligere kjent teknikk relatert til å dempe et pluggstrømregiem er kjent fra US Patent 6,413,299 B1 mens andre typer av gass-væske separatorer er beskrevet i WO 03/080 212 A1, WO 2004/022 198 A1, EP 1 044 711 A1, GB 2 197 221 A, US Patent 1,516,132, RU 2 077 364 C1 og SU I 248 630 A1.

Det er en hensikt til oppfinnelsen å tilveiebringe en kompakt gass-væskeseparator for å separere en variabel flerfasestrømning av gass og væske i en gassdominert strømning og en væskedominert strømning slik at begge strømmer stabiliseres og variasjoner dempes.

I henhold til oppfinnelsen omfatter gass-væskeseparatoren:

et hus som omslutter et separasjonskammer, en innløpsport for å innmate en flerfasestrømning inn i separasjonskammeret, en væskeutløpsport for å slippe ut en væskedominert strømning fra separasjonskammeret, en gassutløpsport tilveiebrakt ved en posisjon over både innløpsporten og væskeutløpsporten for å slippe ut en gassdominert strømning fra separasjonskammeret.

I henhold til oppfinnelsen er separatoren karakterisert ved at både innløpsporten og væskeutløpsporten anbrakt inntil en langstrakt lavere bunnvegg til huset og definerer en strømretning inn i og ut av separasjonskammeret omtrent aksialt innrettet langs bunnveggen hvor separasjonskammeret strekker seg over bunnveggen mellom innløpsporten og væskeutløpsporten.

Siden både innløpsporten og væskeutløpsporten er anbrakt ovenfor hverandre og nær, og fortrinnsvis i flukt med, bunnveggen kan volumet til separasjonskammeret designes for en optimal separasjonseffektivitet på den ene siden, og kompakthet av separatoren på den annen side. Separasjonskammeret strekker seg ut over bunnveggen opp til en ønsket høyde uten noen hindringer i den direkte vegen til strømningen mellom innløpsporten og utløpsporten aksialt innrettet dertil. Tendensen med at skjærekrefter vil bryte opp gass som er innblandet i væsken i mindre gassbobler som kan gå forbi reduserer separasjonsvolumet.

Dimensjonen til separasjonskammeret er designet for å tilveiebringe en optimal separasjonseffektivitet ved en ikke-plugg strømregime med et minimum av gass som forblir innblandet i væskestrømningen som sendes ut gjennom væskeutløpsporten. Under et pluggstrømregime er væskenivået tillatt å stige inne i separasjonskammeret opp til et maksimalt væskenivå over bunnveggen. Separasjonskammeret har et internt buffervolum tilpasset for å forsinke en væskeplugg i pluggstrømregimet til flerfasestrømningen. Siden det horisontale tverrsnittet til separasjonskammeret omtrentlig overlapper helt med bunnveggen vil innkommende plugger oppløses og spres ut vertikalt i separasjonskammeret og dermed effektivt miste deres energi inne i separasjonskammeret selv om væskeplugger kan ha et svært høyt moment. Det interne buffervolumet til separasjonskammeret og spesielt lengden og høyden til separasjonskammeret vil avhenge av kjennskapen til væskestrømningsvariasjonene.

I et pluggstrømningsregime er en væskeplugg etterfulgt av en periode med hovedsakelig gasstrømning. Dersom væske-gass grensesnittet er hevet på grunn av en innkommende væskeplugg vil ikke bare gasstrykket over væske-gassgrensesnittet økes, men også væsketrykket ved væskeutløpsporten som dermed akselererer utstrømningen av væske gjennom væskeutløpsporten. Siden væskepluggen i et pluggstrømningsregime etterfølges av en viss periode hvor hovedsakelig gass strømmer vil det være tilstrekkelig tid til å slippe ut væskepluggen gjennom væskeutløpsporten med nivået til væskegassgrensesnittet senkes mot minimumsvæskenivået. ”gasspluggen” som etterfølger væskepluggen kan også strømme ut gjennom væsken i separasjonskammeret mot gassutløpsporten og ytterligere heve trykket som utøves på væske-gassgrensesnittet.

Under operasjon er gass-væskegrensesnittet mellom vasken som strømmer langs bunnveggen og fri gass over grensesnittet holdt på eller til en viss grad over et minimums lavnivå over en øverste kant av en portåpning til væskeutløpsporten for å forhindre utslipp av fri gass gjennom utløpsporten. Som beskrevet i detalj under kan posisjonen til grensesnittet kontrolleres av en passende design av formen til separasjonskammeret eller ved nivåkontrollhjelpemidler fortrinnsvis slik at væsken tilveiebringer en gassforsegling som forhindrer at gass blir sugd inn i væskeutløpsporten.

Som det enkelt kan forstås må ikke væske-gassgrensesnittet holdes på det minimumsvæskenivået som nevnt ovenfor, men kan også bli holdt på et visst øvre nivå mellom minimumsvæskenivået og maksimumsvæskenivået. Et høyt operasjonsvæskenivå tilveiebringer en robusthet overfor gassinnblanding i væskestrømningen ved væskeutløpsporten mens et lavt operasjonsvæskenivå tilveiebringer en høyere robusthet overfor væskeoverløping eller væskeoverføring ved gassutløpsporten. Ved å kontrollere operasjonsvæskenivået mellom minimumsvæskenivået og maksimumsvæskenivået kan en høy separasjonseffektivitet med kapasitet fil å håndtere store volumstrømvariasjoner opprettholdes.

Gass-væskeseparatoren i henhold til oppfinnelsen er fortrinnsvis brukt i feltet for oljeproduksjon og kan bli brukt ved on-shore fasiliteter, men fortrinnsvis ved off-shore eller undervannsfasiliteter på grunn av sine kompakte dimensjoner. Separatoren kan finne sin applikasjon i en hvilke som helst prosess vedrørende separasjon av en blandet gass- og væskestrømning inn i en gassdominert strømning og en væskedominert strømning. Fortrinnsvis er væsken en enkelfaset olje eller tofaset væske av olje og vann som den er produsert i en brønn.

I en foretrukket utførelse skråner bunnveggen omtrentlig rettlinjet ned i retningen til flerfasestrømningen fra en første vertikal posisjon definert av innløpsporten til en andre vertikal posisjon definert av væskeutløpsporten. Vinkelen er fortrinnsvis mellom 2° og 18° og mer fortrinnsvis mellom 5° og 15° med hensyn til den horisontale retningen for å oppnå fordelene som nevnt under.

Væskeutløpsporten har fortrinnsvis en portåpning, en øverste kantdel som er vertikalt under den laveste kantedelen til en portåpning til innløpsporten.

Skråningsvinkelen til bunnveggen og fallavstanden mellom innløpsporten og væskeutløpsporten definerer minimumsnivået til gass-væskegrensesnittet inne i separasjonskammeret og sørger for en gassforsegling som forhindrer at fri gass suges ut gjennom væskeutløpsporten.

Et annet problem man møter med konvensjonelle gass-væske separatorer er at sans som er innblandet i væsken blir fanget i separasjonskammeret og avsettes på grunn av lav strømhastighet. Kjent teknikk separatortanker har installert et jet-system som opererer med høytrykkvann for å fjerne sand fra separatoren. Dersom bunnveggen skråner nedover i retning av flerfasestrømningen fra innløpsporten til væskeutløpsporten vil sandpartikler lett bli ført ut av separasjonskammeret med væskestrømningen. Ikke noe jet-system trengs.

Kjent teknikk volumbasert gass-væske separatorer har et sylindrisk hus som strekker seg i horisontal retning. Dette betyr at den horisontale bredden av huset og dermed separasjonskammeret er lik dens vertikale høyde. Den horisontale bredden til separasjonskammeret er mye større enn diameteren til innløpsporten. Den flerfase væskestrømningen som innmates til separasjonskammeret vil ikke bare strømme til væskeutløpsporten, men vil også spres utover sideveis. Gassbobler innblandet i væsken vil dermed ha en tendens til å følge væskestrømningen inntil de stoppes av veggene til huset. Den tiden boblene trenger for å nå veggene senker separasjonseffektiviteten. I en foretrukket utførelse har separasjonskammeret en horisontal bredde som er mindre enn dens horisontale lengde langs bunnveggen og er mindre en dens vertikale høyde.

Spesielt er den horisontale bredden til separasjonskammeret omtrent lik eller litt større enn diameteren til innløpsporten. Separasjonskammeret har dermed en smal bredde slik at en hvilke som helst sidebevegelse til væsken som innholder gassbobler vil stoppes av veggen til huset og på grunn av oppdrift vil gassboblene bli orientert i en oppover rettet bevegelse for ytterligere å øke separasjonseffektiviteten. I en foretrukket utførelse er den horisontale lengden og/eller den vertikale høyden til separasjonskammeret mellom 10 til 20 ganger den horisontale bredden til separasjonskammeret. Dimensjonert på denne måten er gass-væskeseparatoren i stand til å eliminere plugger og til å redusere strømningsvariasjoner til en stor del i utløpsstrømningene av gass og væske.

Gassutløpsporten er fortrinnsvis anbrakt inntil en toppvegg til huset i en endevegg derav motstående innløpsporten og definerer en strømningsretning til den gassdominante strømningen omtrent i parallell med strømningsretningen definert av væskeutløpsporten slik at den bedre kan bruke ethvert moment som gassen kan ha i denne strømningsretningen for bedre å slippe gasstrømningen ut gjennom gassutløpsporten. Fortrinnsvis skråner toppveggen oppover mot gassutløpsporten slik at et fritt rom over gass-væskegrensesnittet vider seg ut mot gassutløpsporten for å forbedre sikkerheten mot væskeoverløping inn i i gassutløpsporten.

Separasjonskammeret har et væske oppfangingsvolum som vil virke som et buffer for å jevne ut enhver innkommende strømningsvariasjoner. Fortrinnsvis inneholder et separasjonskammer ytterligere pluggdempningshjelpemidler ved avstanden over bunnveggen for å dempe momentet til en innkommende væskeplugg i et pluggstrømningsregime. Pluggdempingshjelpemidler kan være i form av en vertikalt forlenget plate eller et flertall av horisontalt utstrekte hindre som er anbrakt inne i separasjonskammeret nedstrøms av innløpsporten. Som det enkelt kan forstås, et hvilke som helst anretning kapabel til å absorbere energi fra pluggen kan brukes.

I en ytterligere foretrukket utførelse hvor huset har vertikale sidevegger som strekker seg motstående til hverandre langs en bunnvegg som forklart over, hvor minst et avstivningselement er anbrakt mellom og fastmontert på sideveggene.

Avstivningselementet styrker konstruksjonen av huset slik at separatoren kan motstå veldig høye indre og/eller ytre trykk. En gass-væskespearator av denne typen er passende for applikasjoner for store havdyp.

Fortrinnsvis er et flertall av for eksempel stavlignende avstivningselementer er anbrakt med en avstand mellom hverandre for eksempel i et mønster med innbyrdes lik astand. Avstivningselementet kan li koblet til sideveggene med skruer eller lignende, men fortrinnsvis sveiset dertil. Som det lett kan forstås kan avstivningselementene brukes for å tilveiebringe pluggdempingshjelpemidler.

I en annen foretrukket utførelse er et gassavlastningsrør som strekker seg oppover fra en øvre posisjon av et innmatingsrør for en flerfasestrømning som er koblet til innløpsporten koblet til en gassinnløpsport anbrakt i huset i en øvre posisjon av separasjonskammeret. Gassavlastningsrørutførelsen vil være mest verdifull i tilfelle når gass-væskeseparatoren er innmatet i et lagdelt strømningsregime. Fri gass over væskestrømningen inn i forrøret kan komme inn i separasjonskammeret direkte i den øverste delen derav over gass-væskegrensesnittet. Utstyrt med gassavlastningsrøret kan størrelsen og volumet til separasjonskammeret reduseres og separasjonseffektiviteten vil forbedres.

For å sikre at den frie gassen over gass-væskegrensesnittet inne i separasjonskammeret ikke er medrevet inn i væskeutløpsporten på en side, og for å forhindre væskeoverflomming inn i gassutløpsporten, gass-væskeseparatoren omfatter fortrinnsvis eller har tilordnet dertil hjelpemidler for å kontrollere nivået til gassvæskegrensesnittet inne i separasjonskammeret mellom minimumsnivået over væskeutløpsporten og et maksimalnivå under gassutløpsporten.

Kontroll av væskenivået til gass-væskespearatoren er viktig i tilfelle det er store variasjoner i væske og gasstrømmer, for eksempel i et pluggstrømningsregime, i en periode med hovedsakelig gasstrømning, er utløpsstrømningen til væske fra separasjonskammeret fortrinnsvis redusert for å opprettholde væskenivået i separasjonskammeret. På den annen side dersom væskenivået i separasjonskammeret stiger over et forhåndsdefinert nivå, bør utløpsstrømningen til væsken bli øket.

Som forklart over er gass-væskeseparatoren i henhold til oppfinnelsen til en viss grad selvkontrollerende på grunn av det faktum at med øking av væskenivå inne i separasjonskammeret vil vekten av væsken inne i separasjonskammeret og dermed væskeutløpsstrømningen øke. I en foretrukket utførelse er en aktiv nivåkontroll tilveiebrakt basert på minst én strømreguleringsanordning assosiert med gassutløpsporten og/eller væskeutløpsporten for å kontrollere nivået til gassvæskegrensesnittet.

Det maksimale væskenivået er fortrinnsvis kontrollert av en strømreguleringsanordning ved gassutløpsporten. ved høynivågrensesnitt kan strøreguleringsanordningen redusere eller stoppe gasstrømningen for å øke gasstrykket i separasjonskammeret over gass-væskegrensesnittet slik at mere væske presses ut gjennom væskeutløpsporten og på denne måten redusere væskenivået. I en enkel utførelse kan reguleringsanordningen være i form av en ventil som er assosiert med gassutløpsporten og som er drevet av en regulerende flottør som føler væskenivået i separasjonskammeret. Flottøren kan direkte virke som et ventillegeme som stenger en vertikal forlenget del av et gassutløpsrør eller indirekte ved å koble flottøren via en mekanisk lenke til en separat ventil inne i gassutløpsrøret. Ingen kraftkilde eller instrumentering behøves for at en flottøraktivert ventil skal forhindre væske overløp inn i gassutløpet. Som det enkelt kan forstås kan den flottøraktiverte ventilen bli anbrakt i tillegg til en annen strømregulerende anordning ved gassutløpsporten for å danne en ”sikkerhetsventil” for å stoppe utgang av væske gjennom gassutløpsporten uavhengig av væskenivåkontrollen.

Flottøren kan på pålitelig vis detektere et forhåndsbestemt væskenivå inne i separasjonskammeret. Ideen med flottør er ikke begrenset til mekanisk å aktivere strømreguleringsanordningen. En flottør kan også mekanisk aktivere en elektrisk signaleringsanordning tilpasset til å kontrollere strømreguleringsanordningen. Den elektriske signaleringsanordningen kan være i form av for eksempel en bryter eller et potensiometer som på den måten danne en sensor for å detektere nivået til væsken. Den elektriske signaleringsanordningen kan kontrollere strømreguleringsanordningen direkte gjennom elektrisk kabling eller gjennom elektrisk eller elektroniske kontrollhjelpemidler.

I en foretrukket utførelse for å tilveiebringe aktiv nivåkontroll spesielt med hensyn til minimum væskenivå er strømreguleringsanordningen assosiert med væskeutløpsporten. Elektriske eller elektroniske kontrollhjelpemidler tilpasset for å kontrollere strømreguleringsanordningen vedlikeholder nivået til gass-væskegrensesnittet inne i separasjonskammeret mellom minimumsvæskenivået og maksimumsvæskenivået som respons på at minst én sensor detekterer nivået eller tettheten til væsken.

Selvfølgelig kan kontrollanordningene bli tilpasset til å kontrollere et flertall av strømreguleringsanordninger hvor hver er assosiert til en port eller et flertall av porter til gass-væskeseparatoren inkludert væskeutløpsporten og gassutløpsporten.

Sensoren eller sensorene kan detektere væskenivået inne i separasjonskammeret, men fortrinnsvis er en første én av sensorene anbrakt ved et innmatningsrør for en flerfasestrømning oppstrøms til innløpsporten mens en andre sensor er anbrakt ved et væskeutløpsrør nedstrøms av væskeutløpsporten. Sensorene kan detektere væskenivået inne i rørene eller tettheten til væsken som strømmer gjennom rørene.

Strømreguleringsanordningene kan være i form av kontrollerbare reguleringsventiler eller lignende. Fortrinnsvis er strømreguleringsanordningen i form av en pumpe hvis strømrate er kontrollerbar i tilfellet der strømreguleringsanordningen er assosiert med væskeutløpsporten. Pumpen kan være en enkelfaset hastighetsvariabel pumpe. I motsetning til en reguleringsventil, tillater ikke pumpen bare å senke utstrømningen, men også å øke utstrømningen over en tyngdekraftutstrømningsrate til separasjonskammeret ved å suge ut væske derfra. Som det enkelt kan forstås kan pumpen være i form av en kompressor i tilfellet der strømreguleringeanordningen er assosiert med gassutløpsporten.

I oljeproduksjonsfeltet er det vanlig å rense et rør ved hjelp av en pigg drevet gjennom røret av den flerfasede strømningen. For å tillate piggen å passere gjennom separasjonskammeret sørger kammeret for en fri strømvei ved en bestemt avstand over bunnveggen. Fortrinnsvis har bunnveggen et tilnærmet semisirkulært tverrsnitt hvor radiusen er lik radiusen til et sirkulært tverrsnitt til innløpsporten og/eller væskeutløpsporten. For å lede piggen langsetter bunnveggen mens den beveger seg omfatter bunnveggen minst én langstrakt ledeskinne som strekker seg langs bunnveggen. Ledeskinnen kan være i form av en rist som dekker bunnveggen på en avstand lik diameteren til innløpsporten. Alternativt kan et rør som har et langstrakt spor bli tilveiebrakt mellom innløpsporten og væskeutløpsporten. Røret danner bunnveggen med sporet pekende oppover hvor kantene til sporet danner ledeskinnene.

For ytterligere å forbedre separasjonseffektiviteten i en annen foretrukket utførelse kan et flertall av gass-væskeseparatorer bli koblet i serie for å danne en flertrinn gass-væskeseparator med innløpsporten til en nedstrøms av gassvæskeseparator koblet til gassutløpsporten eller væskeutløpsporten til en oppstrøms av gass-væskeseparator. Å koble separatorene til en flertrinns separator vil forbedre separasjonseffektiviteten i tillegg til pluggdempekapasiteten. Selv om oppstrømsseparatoren viser noe væske overløp ved gassutløpsporten eller noe gassoverløp ved væskeutløpsporten vil nedstrømsseparatoren sørge for en optimal faseseparasjon og strømningsstabilisering.

I produksjonen av olje og gass er væsken produsert av en brønn ofte i form av en flerfaset væske omfattende olje og vann. Kjent teknikk i form av trefaseseparatorer i stand til å separere en trafseblanding til en gasstrømning, en oljestrømning og en vannstrømning må ha et stort volum for å sørge for tilstrekkelig oppfangingstid som er nødvendig for å vedlikeholde en effektiv separasjon, eller separatoren må kjøres under veldig begrenset strømoperasjonsbetingelser med en begrenset evne til å håndtere et pluggregime. I en annet aspekt tilveiebringer oppfinnelsen en enkel og kompakt flerfaset gass-væskeseparatorfasilitet i stand til å separere en trefaset strømning av gass og væsker som har forskjellige tettheter. Separatorfasiliteten omfatter en flerfaset væskeseparator for separering av væsker som har forskjellige tettheter, og en gassvæskeseparator som forklart ovenfor som danner en foranordning (frontup device) med hensyn til flerfasevæskeseparatoren. Gass-væskeseparatoren separerer gassfasen i et første trinn av separatorfasiliteten og slipper ut den flerfasede væskestrømningen til flerfasevæskeseparatoren som i sin tur separerer flerfasestrømningen av væsker i minst en første væskedominert strømning, spesielt en oljedominert strømning, og en andre væskedominert strømning, spesielt vanndominert strømning. Separatorfasiliteten er kompakt nok til å bli brukt i en undervannsinstallasjon og på denne måten tillate innsprøytning av én av de tre fasene, for eksempel gassfasen eller vannfasen til er reservoar i en brønn for å trykksette reservoaret. De gjenstående fasene kan bli transportert gjennom et produksjonsrør eller rørlinje til et hvilke som helst nedstrøms prosessutstyr. Å ta ut gassen vil redusere størrelsen på olje-vannseparatoren og på den måten gjøre en undervanns olje-vannseparator til et mulig teknisk og økonomisk alternativ. Å separere vann fra oljen nær til brønnen på havbunnen kan være ytterst viktig siden mage olje- og gassfelt har en økning i vannproduksjon med alderen, og på den måten har det andre aspektet av oppfinnelsen en stor innflytelse op økonomien til olje og gassproduksjon spesielt med hensyn til en undervanns olje-vannseparator.

Gass-væskeseparatoren i henhold til oppfinnelsen tilveiebringer en regulert gassdominert strømning og en regulert væskedominert strømning uavhengig av den gassdominerte strømningen. Dette er av spesiell viktighet med hensyn til lavtrykksproduksjon i en brønn. Lavtrykksproduksjon har et behov for å øke trykket for å transportere væsken og/eller gassen til en nedstrøms transportrørledning og behandlingsfasilitet. Ved å ha separert gassfasen og væskefasen kan tradisjonelle enkelfaset pumper og gasskompressorer bli brukt i stedet for mere kompliserte og dyre flerfasepumper. Selv flerfasepumper kan gjøre bruk av oppfinnelsen. Gassvæskeseparatoren i henhold til oppfinnelsen som danner en foranordning til en flerfasepumpe stabiliserer strømningen og tillater blanding av gass og væske i en kontrollert form oppstrøms av flerfasepumpen. Uregelmessig strømning med perioder med enkelgassfaser som kan skade flerfasepumpen unngås.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i form av eksempler, og med referanse til de vedlagte tegningene hvor

Fig. 1 er en skjematisk langsgående seksjon av en utførelse av en gassvæskeseparator i henhold til oppfinnelsen;

Fig. 2 er et tverrsnitt av gass-væskeseparatoren langs linje II-II i Fig. 1;

Fig 3 er en skjematisk langsgående seksjon av en andre utførelse av gassvæskeseparatoren med en gassavlastningsrør oppstrøms av separatoren;

Fig. 4 er en skjematisk langsgående seksjon av en tredje utførelse av gassvæskeseparatoren omfattende en pluggdempende anordning inne i separasjonskammeret;

Fig. 5 er en skjematisk langsgående seksjon av en fjerde utførelse av gassvæskeseparatoren som et alternativ til Fig. 4;

Fig. 6 er et tverrsnitt gjennom gass-væskeseparatorenlangs en linje VI-VI i Fig. 5;

Fig. 7 viser en femte variant som et alternativ til utførelsene vist i Figurene 1 og 2;

Fig. 8 er en variant av utførelsen i Fig. 7;

Fig. 9 viser en variant av gass-væskeseparatoren som tillater en piggeoperasjon;

Fig. 10 vier en variant av gass-væskeseparatoren vist langs en linje X-X i Fig. 9;

Fig. 11 er en skjematisk langsgående seksjon av en flertrinns separator;

Fig. 12 er i skjematisk form en undervannsinstallasjon av en trefaseseparator og Fig. 13 er en foretrukket variant av gass-væskeseparatoren av Fig. 8.

Figurene 1 og 2 viser en kompakt gass-væskeseparator 1 som har et flatt hus 3 omfattende flate sidevegger 5, en semisirkulær bunnvegg 7, en semisirkulær toppvegg 9 og endevegger 11. Veggene 5, 7, 9 og 11 omgir et separasjonskammer 13. Inntil bunnveggen 7 er et tilførselsrør 15 koblet til en innløpsport 17 ved den oppstrøms endeveggen 11 for innmatning av en flerfase gass-væskestrømning inn i separasjonskammeret 13. Retningen til innmatningsstrømningen er indikert med en pil 19.

På motsatt side av innløpsporten 17 med hensyn til separasjonskammeret 13 er det tilveiebrakt i den nedstrøms endeveggen 11 inntil bunnveggen 7 en væskeutløpsport 21 koblet til et væskeutløpsrør 23 og over væskeutløpsporten 21 og inntil toppveggen 9 er det tilveiebrakt en gassutløpsport 25 som er koblet til et gassutløpsrør 27.

I en operasjonsposisjon er sideveggene 5 anordnet vertikalt opprett med væskeutløpsporten 21 med sin øverste kant 29 anbrakt under den laveste kanten 31 av innløpsporten 17. En flerfase innstrømning av gass og væske gjennom innmatingsrør 15 inn i separasjonskammeret 13 vil føre til et gass-væskegrensesnitt 33 i separasjonskammeret 13. Nivået til grensesnittet 33 vil være avhengig av forskjellen mellom væsketrykket ved væskeutløpsporten 21 og gasstrykket ved gassutløpsporten 25. Væsken under grensesnittet 33 vil sendes ut gjennom væskeutløpsporten 21 mens gass over grensesnittet 33 vil strømme ut gjennom gassutløpsporten 25. Gass som kommer inn i separasjonskammeret 13 gjennom innløpsporten 17 vil flyttes eg oppover på grunn av oppdrift.

Separatoren 1 er tilpasset for å omdanne en variabel tofaset strømning av gass og væske til to stabiliserte, for eksempel jevne strømmer av en væskedominert strømning og en gassdominert strømning spesielt med et minimum av gass innblandet i den væskedominerte strømningen, og med et minimum av væskeoverløp i den gassdominerte strømningen. Separatoren 1 er ytterligere tilpasset ofr å stabilisere et pluggstrømningsregime som vil være tydelig fra beskrivelsen under.

Separasjonskammeret 13 sørger for et buffervolum for væsken mellom et minimum væskenivå 35 som ligger en forhåndsbestemt fallhøyde 37 over den øverste kanten 29 av væskeutløpsporten 21 og et maksimalt væskenivå 39 som ligger en avstand 41 under gassutløpsporten 25. Buffervolumet er definert av en bredde W horisontalt mellom sideveggene 5, en høyde H mellom minimumsvæskenivå 35 og maksimum væskenivå 39 og en lengde L horisontalt mellom endeveggene 11. Buffervolumet er dimensjonert for å håndtere en væskeplugg som kommer inn i et pluggstrømningsregime.

For grunner som forklart under er bredden W til separasjonskammeret 13 lik eller litt større enn den indre diameteren til innløpsporten 17 og derfor også innmatningsrøret 15. Høyden H og lengden L er dimensjonert til å rundt 10 til 20 ganger bredden W. Derfor kan væskehøyden stige 10 til 20 ganger innmatningsrørets diameter før det når maksimum væskenivå 39. Dette betyr at separasjonskammeret 13 typisk vil ha en holdetid på mer enn 10 til 20 ganger en innmatingsrørseksjon med lengde lik lengden L til separasjonskammeret 13. Under normale forhold vil dette være tilstrekkelig til å håndtere en væskeplugg i et pluggstrømningsregime.

Videre er strømraten til væske gjennom væskeutløpsporten 21 avhengig av nivået til grensesnittet 33. En økning i væskehøyde på grunn av økt innkommende væskestrømning vil resultere i en økt utløpsvæskestrømning. På den måten vil separator 1 håndtere væskestrømningsvariasjoner mer fleksibelt enn kjent teknikk separasjonsutstyr som opererer med et relativt konstant opprettholdt væskevolum.

Nivået til grensesnittet 33 er kontrollert til å alltid forbli over minimumsvæskenivå 35 og under maksimumsvæskenivå 39 for eksempel ved å kontrollere utløpsstrømningen (pil 43) gjennom væskeutløpsporten 21. Siden minimumsvæskenivået 35 er vedlikeholdt over væskeutløpsporten 21 sørger væske under minimumsvæskenivå 35 for et syphontype gassforsegling som forhindrer fri gass fra over grensesnittet 33 å bli sugd ut gjennom væskeutløpsporten 21. Gass innblandet i den væskedominerte strømningen 43 kan derfor holdes på et minimum.

Nivået til grensesnittet 33 er videre kontrollert for ikke å stige over maksimumsvæskenivået 39. Siden gassutløpsporten 25 er en avstand 41 over minimumsvæskenivået 39 og toppveggen 9 skråner oppover mot gassutløpsporten 25 mellom endeveggene 11 er det under alle operasjonsforhold et fritt rom 45 over grensesnittet 33 som tillater utslipp av gass gjennom gassutløpsporten 25 i form av en stabilisert gassdominert strømning 47.

Diameterne til væskeutløpsporten 21 og gassutløpsporten 25 er tilnærmelsesvis lik diameteren til innløpsporten 17. I et pluggstrømningsregime vil en væskeplugg normalt bli etterfulgt av en gass ”plugg”. Siden gassutløpsporten 25 og innløpsporten 17 har samme diameter kan all gassen som introduseres i separasjonskammeret 13 umiddelbart slippe ut gjennom gassutløpsporten 25.

Den nedoverskrånende vinkelen 49 til bunnveggen 7 med hensyn til den horisontale retningen er rundt 5° til 15°. Ved en lengde L mellom 10 og 20 ganger diameteren til innløpsporten 17 vil dette sørge for en fallhøyde 37 tilstrekkelig for å forhindre medriving av fri gass gjennom væskeutløpsporten 21.

Skråningsformen til bunnveggen 7 sørger ikke bare for gassforseglingen ved utløpsporten 21, men sikrer at sand som eventuelt føres inn med væskeinnstrømningen ikke blir fanget inn e i separasjonskammeret 13, men vil gå ut gjennom utløpsporten 21 selv ved lav væskehastighet. Noe høytrykks vannspylesystem vil være unødvendig. Den laveste kantdelen av portåpningen til væskeutløpsporten 21 er anordnet ved eller like under bunnveggen.

I det følgende vil modifiseringer, forbedringer og eksempler på applikasjoner av gass-væskeseparatoren som beskrevet ovenfor bli forklart. Komponenter som har samme funksjon og/eller design vil ha tilordnet samme referansenummer med en bokstav tillagt for adskillelse. Referanser er gjort for den fulle beskrivelsen over og variasjoner beskrevet med referanse til en spesifikk utførelse vil også gjelde for alle andre utførelser.

Gass-væskeseparatoren 1a vist i Fig. 3 skiller seg ut fra gass-væskeseparatoren vist i figurene 1 og 2 ved et gassavlastningsrør 51 som strekker seg oppover fra en T-forgrening 53 ved en øvre posisjon av innmatningsrøret 15a og fører til en øvre del av separasjonskammeret 13a. I utførelsen i Fig. 3 er gassavlastningsrøret 51 koblet til en port 55 ved eller nær toppveggen 9a. Vist med en stiplet linje ved 51’ er en variant av gasavlastningsrøret vist med en port 55’ ved en øvre ende av den oppstrøms endeveggen 11a. Et flertall av gasavlastningsrør kan selvsagt bli anordnet med T-forgreninger stablet i en aksial retning av innmatningsrøret 15a.

Å tilveiebringe gassavlastningsrøret 51 er mest verdifullt i tilfelle der flerfase innstrømen 19a er i formen av en lagdelt strømning med et gass-væskegrensesnitt 57 inne i innmatningsrøret 15a. Gassen som strømmer over grensesnittet 57 kan komme direkte inn i separasjonskammeret 13a gjennom gassavlastningsrøret 51, og derfor kan størrelse og volum til separasjonen 13a reduseres, og på denne måten gjøre separasjonen mer effektiv.

Fig. 4 viser en gass-væskeseparator 1b som har anordnet en dempeanordning 59 inne i separasjonskammeret 13b nedstrøms av innløpsporten17b. Dempeanordningen 59 er i form av en vertikal plate som strekker seg mellom sideveggene av huset 3b. Den lavere enden av platen 59 er anordnet over bunnveggen 7b ved en avstand noe videre enn diameteren til innmatningsrøret 15b. Derfor ender den andre siden av platen 59 ved en avstand fra toppveggen 9b.for å sørge for en fri gasstrømning ved toppveggen 9b. Dempeanordnigen59 demper momentet til en innkommende plugg inne i separasjonskammeret 13b og absorberer trykkmomentet (forced momentum) til væskepluggen. Et gassavlastningsrør kan i tillegg bli tilveiebrakt som forklart med referanse til Fig. 3.

Gass-væskeseparatoren vist i figurene 5 og 6 avviker fra separatoren i Fig. 4 ved at dens pluggdempningsanordning 59c som er i formen av stag som strekker seg horisontalt mellom sideveggene 5c og er anordnet i et mønster med innbyrdes lik avstand. Igjen er de laveste stagene 59c anordnet over bunnveggen 7c med en avstand større enn diameteren til innmatningsrøret 15c.

Dempeanordningen 59 i Fig. 4 og stagene som danner dempeanordningen 59c i figurene 5 og 6 sørger ikke bare for dempingen av plugger, men også for å avstive huset 3b, 3c. Platen og stagene er sveiset i begge ender til de vertikale sideveggene som for eksempel sideveggene 5c i Fig. 6. Gass-væskeseparatoren kan derfor motstå veldig høye trykk, både interne og eksterne trykk, og er derfor egnet for applikasjoner på store havdyp.

For en optimal operasjon er det avgjørende at nivået til gass-væskegrensesnittet inne i separasjonskammeret er holdt mellom minimumsvæskenivået og maksimumvæskenivået som det ble forklart med hensyn til Fig. 1. Fig. 7 viser en anordning som har en gassutløpsventil 61 ved gassutløpsporten 25d. Ventilen 61 har et ventillegeme 63 i form av en for eksempel sfærisk eller tilnærmelsesvis sylindrisk flottør som er vertikalt bevegelig ledet i en gjennomhullet ledehylse 66 under en ringaktig ventilsete 65 og lukker ventilen 61 dersom nivået til gass-væskegrensesnittet 33d når maksimumsvæskenivået 39d. I gassutløpsporten 25d vil gasstrykket inne i det frie rommet 45d over maksimumsvæskenivået 39d øke for å øke væske overløpsraten ved væskeutløpsporten 21d. Et væskeoverløp ved gassutløpsporten 25d vil forhindres.

Innblanding av fri gass ved væskeutløpsporten 21d er forhindret på grunn av gassforseglingen ved væskeutløpsporten 21d som forklart over. Indikert med stiplede linjer viser Fig. 7 også en ventil 61’ som et alternativ til ventilen 61. Ventilen 61’ er aktivert ved hjelp av en separat flottør 62 som er mekanisk koblet til et ventillegeme 63’ assosiert med ventilsetet 65. Den mekaniske linken er i form av en dobbelhevarm 64 som er dreielig opphengt i huset 3d til separasjonskammeret 13d. Anordningen er slik at flottøren 62 lukker ventilen 61’ dersom nivået til gass-væskegrensesnitt når maksimumsvæskenivået 39d.

Som indikert med stiplede linjer ved 61” er, en flottøraktivert ventil, fortrinnsvis i en utførelse hvor flottøren direkte utgjør ventillegemet som i tilfelle med ventilen 61 tilveiebrakt i en vertikal del av gassutløpsrøret 27d over separasjonskammeret 13d for å danne en ”sikkerhetsventil” som lukker for å stoppe innstrømningen av væske inn i gassutløpsrøret 27d. Ventilen 61” kan anbringes i tillegg til andre strømregulerende anordninger ved gassutløpsporten, og spesielt strømreguleringsanordninger som bare delvis lukker gasstrømningen gjennom gassutløpsporten for å kontrollere væskenivået inn i separasjonskammeret. Som det enkelt kan forstås er en slik ytterligere sikkerhetsventil ikke begrenset til typen og posisjonen av ventilen, spesielt en flottøraktivert ventil.

Fig. 8 viser en gass-væskeseparator 1e som avviker fra separatoren vist i Fig. 7 ved at gassutløpsventilen anbrakt ved gassutløpsporten 25e er en utløserdrevet ventil som er kontrollert av en elektronisk kontroller 67. Kontrolleren 67 er koblet til nivåsensorene 69 som detekterer væskenivået ved forskjellige høyder. Kontrolleren 67 vil lukke gassutløpsventilen 61e dersom væskenivået når maksimumsvæskenivået 39e. I tillegg er væskeutløpsporten 21e anordnet med en utløserdrevet væskeutløpsventil 71 for å lukke væskeutløpsporten 21e dersom væskenivået h tenderer til å falle under minimumsvæskenivået 35e. Slik det kan forstås kan ventilene 61e og 71 også være delvis åpne og lukkede. Sensorene 69 kan være i en hvilke som hels form passende for å detektere tilstedeværelsen av væske ved posisjonen til sensoren ved å måle motstanden mellom to elektroder eller ved å måle induktivitet eller kapasitans til fluiden ved sensorposisjonen. Sensoren kan også være i form av en optisk eller elektromagnetisk bølgeavstandsmåleanordning. I en mekanisk pålitelig utførelse er sensoren 69 i en form av en elektrisk signalleringsanordning, for eksempel en bryter eller et potensiometer som er mekanisk aktivert ved hjelp av en flottør 70 som indikert i Fig. 8 med stiplede linjer. Hver av sensorene 69 assosiert med kontrolleren 67 kan selvfølgelig bli aktivert av en flottør som beskrevet ovenfor.

Som vanlig ved produksjon av olje trenger rørledninger og lignende å bli renset. Vanligvis brukes en ”pigg”, for eksempel et renselegeme som har en diameter litt mindre enn den innerste diameteren til røret som skal renses. Piggen drives gjennom røret ved å bevege seg med strømningen av væske og gass. I en foretrukket utførelse vist i figurene 9 og 10 er gass-væskeseparatoren 1f tilveiebrakt med ledeskinner 73 for leding av en rensepigg 75 som kommer inn i separasjonskammeret 13 gjennom innmatningsrøret 15f og innløpsporten 17f og beveger seg langs bunnveggen 7f gjennom separasjonskammeret 13f langs hele dennes lengde. Rensepiggen 75 går ut av separasjonskammeret gjennom væskeutløpsporten 21f og væskeutløpsrøret 23f. For å tilveiebringe ledeskinnene 73 kan et rør som har en diameter lik innmatningsrøret 15f tilveiebringes med et langsgående spor 77 hvis kanter danner ledeskinnene 73.

For ytterligere å forbedre separasjonseffektiviteten og kapasiteten til å håndtere et pluggstrømningsregime er et flertall av gass-væskeseparatorer 1g koblet i serie for å danne en flertrinnseparator som vist i Fig. 11. Ved å tilveiebringe en serie med gassvæskeseparatorer 1g kan separasjonseffektiviteten så vel som kapasiteten til å håndtere pluggstrømningsregime bli forbedret. I utførelsen vist i Fig. 11 er innløpsporten 17g av den nedstrøms gass-væskeseparatoren koblet i serie til væskeutløpsporten 21g til den oppstrøms gass-væskeseparatoren 1g. Mer enn to separatorer kan også bli koblet i serie. Ikke vist er en utførelse hvor i tillegg eller alternativt en nedstrøms gass-væskeseparator er tilveiebrakt hvis innløpsport kan bli koblet i serie til gassutløpsporten 25g til den oppstrøms gass-væskeseparatoren.

Gass-væskeseparatoren som forklart over er fortrinnsvis brukt i en offshore og en undervanns applikasjon. Fig. 12 viser en offshore plattform 79 med en oljeproduksjonsundervannsbrønn 81 assosiert dertil. Brønnen produserer en trefaset blanding av olje, vann og gass som er matet gjennom et rør 83 til innløpsporten 17h av en gass-væskeseparator 1h som forklart over. Gassen fra gassutløpsporten 25h er matet via en produksjonspumpe eller gasskompressor 85 og et gassrør 87 til plattformen for videre håndtering.

Gass-væskeseparatoren 1h separerer gassen fra en tofaset væske av olje og vann som slipper ut ved væskeutløpsporten 21h av gass-væskeseparatoren 1h. En for eksempel volumbasert olje-vannseparator 89 er koblet med dens innløpsport 91 til væskeutløpsporten 21h til separatoren 1h og slipper ut ved et oljeutløp 93 olje som er transportert vie en produksjonspumpe 95 og et annet produksjonsrør 97 også til plattformen for videre håndtering. Vannet som slippes ut ved et vannutløp 99 av oljevannseparatoren 89 blir reinjisert av innsprutningsfasiliteter 101 som omfatter en pumpe 103 til reservoaret av brønnen 81. Gass-væskeseparatoren 1h og olje-vannseparatoren 89 er anbrakt ved havbunnen. Pumpene 85, 95 og 103 er enkelfasede fluidpumper siden gass, olje og vann produseres med separate utløp.

Fig. 13 viser en utførelse av en gass-væskeseparator 1i som tilveiebringer en aktiv nivåkontroll i en variant av utførelsen i Fig. 8. I stedet for en utløserdrevet ventil ved væskeutløpsrøret 23i er en hastighetsvariabel pumpe 105 brukt for å kontrollere strømningen av væskeutløpsporten 21i. Pumpen 105 som kan være i form av en enkelfase pumpe er frekvenskontrollert gjennom kontrolleren 67i som reagerer på et første væskenivå og/eller tetthetssensor 69i oppstrøms av innløpsporten 17i og T-forgrening 53i til gassavlastningsrøret 51i, og et andre væskenivå og/eller tetthetssensor 69i nedstrøms væskeutløpsporten 21i men oppstrøms av pumpen 105. Anbringing av sensorene 69i som forklart over sørger for en rask men svingningsfri nivåkontroll.

På samme måte som i utførelsen i Fig. 8 er også gassutløpsrøret 27i tilveiebrakt med en utløserdrevet ventil 61i for å redusere utløpsgasstrømningen for å presse væskeutløpsstrømningen og å kontrollere maksimumshøyden til væskenivået inn ei separasjonskammeret 13i.

Ved å bruke pumpe isteden for en utløserdrevet ventil tillates å øke utstrømningsraten gjennom utløpsrøret over utstrømning bestemt av tyngdekraft eller internt væsketrykk. Selvfølgelig kan også ventilene 71 eller 61e vist i Fig. 8 og ventilen 61i bli erstattet med henholdsvis en pumpe eller en gasskompressor.

Claims

Patentkrav

1. Gass-væskeseparator for separering av en variabel flerfasestrømning av gass og væske inn i en gassdominert strømning og en væskedominert strømning, hvor den variable flerfasestrømningen av gass og væske omfatter olje fra en brønn, hvor separatoren omfatter:

et hus (3) som omslutter et separasjonskammer (13),

en innløpsport (17) for innmating av flerfasestrømningen inn i separasjonskammeret (13),

en væskeutløpsport (21) for utslipp av den væskedominerte strømningen fra separasjonskammeret (13) og

en gassutløpsport (25) tilveiebrakt ved en posisjon over både innløpsporten (17) og væskeutløpsporten (21) for utslipp av den gassdominerte strømningen fra separasjonskammeret (13),

karakterisert ved at

både innløpsporten (17) og væskeutløpsporten (21) er anbrakt inntil en langstrakt lavere bunnvegg (7) av huset (3) og definerer en strømretning inn i og ut av separasjonskammeret (13) omtrentlig aksialt innrettet langs bunnveggen (7), og hvor separasjonskammeret (13) strekker seg over bunnveggen (7) mellom innløpsporten (17) og væskeutløpsporten (21), og

hvor innløpsporten er konfigurert til å være koblet til et rør som mottar den variable flerfasestrømningen av gass og væske fra brønnen.

2. Gass-væskeseparatoren i henhold til krav 1,

hvor separasjonskammeret (13) har et internt buffervolum tilpasset for å fange opp en væskeplugg i et pluggstrømningsregime til flerfasestrømningen.

3. Gass-væskeseparatoren i henhold til et av kravene 1 eller 2,

hvor bunnveggen (7) i det minste omtrentlig skråner rettlinjet nedover i retningen til flerfasestrømningen fra en første vertikal posisjon definert av innløpsporten (17) til en andre vertikal posisjon definert av væskeutløpsporten (21) ved en forhåndsdefinert vinkel, spesielt ved en vinkel mellom 2° og 18°, fortrinnsvis ved en vinkel mellom 5° og 15° med hensyn til den horisontale retningen.

4. Gass-væskeseparatoren i henhold til krav 3,

hvor væskeutløpsporten (21) har en portåpning hvis øverste kantdel (29) er vertikalt under den laveste kantdelen (31) til en portåpning til innløpsporten (17).

5. Gass-væskeseparatoren i henhold til et av kravene 3 eller 4,

hvor væskeutløpsporten (21) har en portåpning hvis laveste kantdel er anbrakt vertikalt ved eller under bunnveggen (7).

6. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 5, hvor separasjonskammeret (13) har en horisontal bredde (W) som er mindre enn dens horisontale lengde (L) langs bunnveggen (7) og er mindre enn dens vertikale høyde (H).

7. Gass-væskeseparatoren i henhold til krav 6,

hvor den horisontale bredden (W) til separasjonskammeret (13) er omtrentlig lik eller litt større enn diameteren til innløpsporten (17).

8. Gass-væskeseparatoren i henhold til et av kravene 6 eller 7,

hvor den horisontale lengden (L) og/eller den vertikale høyden (H) til separasjonskammeret (13) er mellom ti til tjue ganger den horisontale bredden (W) til separasjonskammeret (13).

9. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 8, hvor gassutløpsporten (25) er tilveiebrakt inntil en toppvegg (9) til huset (3) i en endevegg (11) av huset på motsatt side av innløpsporten (17) og definerer strømretningen til den gassdominerte strømningen omtrentlig i parallell til strømretningen definert av væskeutløpsporten (21).

10. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 9, hvor toppveggen (9) skråner oppover mot gassutløpsporten (25).

11. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 10, hvor separasjonskammeret (13b, c) omfatter pluggdempende hjelpemidler (59, 59c) ved en avstand over bunnveggen (9b, c).

12. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 11, hvor huset (3) har vertikale sidevegger (5b, c) som strekker seg overfor hverandre langs bunnveggen (7b, c), og

hvor minst et avstivningselement (59b, c), fortrinnsvis et flertall av staglignende avstivningselementer (59c) anordnet med en avstand mellom hverandre, er tilveiebrakt mellom og fast montert til sideveggene (5b, c).

13. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 12, hvor et gassavlastningsrør (51) som strekker seg oppover fra en øvre posisjon til et flerfase strømningsmatningsrør (15a) koblet til innløpsporten (17a) er koblet til gassinnløpsporten (55) tilveiebrakt ved huset (3a) i en øvre posisjon av separasjonskammeret (13a).

14. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 13, hvor gass-væskeseparatoren (1) omfatter eller har tilordnet dertil hjelpemidler (61, 61e, 67, 71) for å kontrollere nivået til et gass-væskegrensesnitt (33d, e) inne i separasjonskammeret (13d, e) mellom et minimumsnivå (35d, e) over væskeutløpsporten (21d, e) og et maksimumsnivå (39d, e) under gassutløpsporten (25d, e).

15. Gass-væskeseparatoren i henhold til krav 14,

hvor en strømreguleringsanordning (61, 61e, 71, 105) er assosiert med gassutløpsporten (25d, e) og/eller med væskeutløpsporten (21e) for å kontrollere nivået til et gass-væskegrensesnitt inne i separasjonskammeret (13d, e).

16. Gass-væskeseparatoren i henhold til krav 15,

hvor strømreguleringsanordningen (61e, 71, 105) er assosiert med væskeutløpsporten (21e, i) eller et flertall av strømreguleringsanordninger er assosiert hver til en port av et flertall av porter til gass-væskeseparatoren inkludert væskeutløpsporten (21e, i);

gass-væskeseparatoren (1e, i) videre omfatter kontrollhjelpemidler (67, 67i) tilpasset for å kontrollere strømreguleringsanordningen (61e, 71, 205) eller anordninger slik at den vedlikeholder nivået til et gass-væskegrensesnitt (33e, i) inne i separasjonskammeret (13e, i) mellom et minimums væskenivå og et maksimum væskenivå i respons til minst én sensor (69, 69i) som detekterer nivået eller tettheten til væske.

17. Gass-væskeseparatoren i henhold til krav 16,

hvor kontrollhjelpemidler (67i) responderer til et flertall av sensorer (69i), en første sensor som er anbrakt ved et flerfase strømningsmatningsrør (15i) oppstrøms av innløpsporten (17i) og en andre sensor som er anbrakt ved ent væskeutløpsrør (23i) nedstrøms av væskeutløpsporten (21i).

18. Gass-væskeseparatoren i henhold til et av kravene 16 eller 17,

hvor strømreguleringsanordningen ved gassutløpsporten (25e, i) er en kontrollerbar reguleringsventil (61e, i) eller en kompressor hvis strømrate er kontrollerbar og/eller strømreguleringsanordningen ved væskeutløpsporten (21e, i) er en kontrollerbar reguleringsventil (71) eller en pumpe (105) hvis strømrate er kontrollerbar.

19. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 15 til 18, omfattende en flottør (62, 70) som reagerer på væskenivået, spesielt væskenivået inne i separasjonskammeret (13d, e) hvor flottøren (62, 70) er tilpasset for mekanisk å påvirke en strømreguleringsanordning (61) ved en av portene til gass-væskeseparatoren (13d) i spesielt gassutløpsporten (25d) eller til mekanisk å påvirke en elektrisk signalleringsanordning (69) tilpasset for å kontrollere strømreguleringsanordningen (61e; 71).

20. Gass-væskeseparatoren i henhold til krav 19,

hvor strømreguleringsanordningen (61;61”) assosiert med gassutløpsporten (25d) er en ventil (61; 61”) omfattende et ventilsete (65) og et ventillegeme (63) som danner flottøren, ventillegemet (63) er anbrakt under ventilsetet (65) vertikalt bevegelig ledet av ledehjelpemidler (66) slik at den lukker ventilsetet (65) dersom væskenivået når et forhåndsdefinert nivå.

21. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 20, hvor bunnveggen (7) har et tilnærmet semisirkulært tverrsnitt hvis radius er lik radiusen til et sirkulært tverrsnitt av innløpsporten (17) og/eller væskeutløpsporten (21).

22. Gass-væskeseparatoren i henhold til krav 21,

hvor bunnveggen (7f) omfatter minst én langsgående ledeskinne (73) som strekker seg langs bunnveggen (7f) for å lede en pigg (75) som beveger seg langs bunnveggen (7f).

23. Gass-væskeseparatoren i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 22, hvor et flertall av gass-væskeseparatorer (1g) er koblet i serie for å danne en flertrinns gass-væskeseparator med innløpsporten (17g) til en oppstrøms gassvæskeseparator (1g) koblet til gassutløpsporten (25g) eller væskeutløpsporten (21g) av en nedstrøms gass-væskeseparator (1g).

24. Flerfase gass-væskeseparatoranlegg omfattende

en flerfase væskeseparator (89) for separering av en flerfasestrømning av væsker som har forskjellig tetthet i minst en første væskedominant strømning, spesielt en oljedominant strømning, og en andre væskedominant strømning, spesielt en vanndominant strømning, og

en gass-væskeseparator (1h) i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 23 som danner en anordning med hensyn til flerfase væskeseparatoren (89) for utslipp av flerfase strømning av væsker dertil.

25. Flerfase gass-væskeseparatoranlegg i henhold til krav 24,

hvor en innsprutningsfasilitet (101) for trykksetting av et reservoar til en brønn (81) er koblet til en gassutløpsport (25h) av gass-væskeseparatoren (1h) eller en vannutløpsport (99) av flerfase væskeseparatoren (89).

26. Produksjonsfasilitet for en flerfase gass-væskebrønn omfattende

en gass-væskeseparator (1h) i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 23 og

minst én enkelfasepumpe (85) koblet til gassutløpsporten (25h) eller væskeutløpsporten (21h) til gass-væskeseparatoren (1h).

27. Produksjonsfasilitet for en flerfase gass-væskebrønn omfattende

minst én gass-væskeseparator (1h) i henhold til et hvilket som helst av kravene 1 til 23,

hvor gass-væskeseparatoren (1h) er anbrakt i en offshore topside eller en undervannsposisjon.