СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЯ ДОБЫВАЕМОГО УГЛЕВОДОРОДНОГО ФЛЮИДА ДЛЯ ТРАНСПОРТИРОВКИ
METHOD AND SYSTEM FOR SUPERCOOLING OF PRODUCED HYDROCARBON FLUID FOR TRANSPORTATION

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу и системе для уменьшения или устранения отложения твердых частиц, таких как твердые частицы парафина, в подводном трубопроводе, по которому транспортируют углеводородные флюиды. В частности, настоящее изобретение относится к способу и системе для регулирования получения суспензии твердых частиц в добываемом углеводородном флюиде для уменьшения или устранения отложения твердых частиц вдоль подводного трубопровода, по которому добываемый углеводородный флюид транспортируют из скважины.
Предпосылки создания изобретения
Одной из наиболее сложных проблем при транспортировке углеводородных флюидов на значительные расстояния под водой является образование и кристаллизация твердых веществ внутри насосно-компрессорных труб, применяемых для транспортировки углеводородов. Кроме нефти или газа, углеводородные флюиды, добываемые из скважины, обычно содержат воду, газ и растворенные твердые вещества. Растворенные твердые вещества могут включать воски, органические соли и неорганические соли.
Отложение слоя твердых веществ в насосно-компрессорных трубах, по которым транспортируют углеводородные флюиды, может происходить по различным причинам. Отложение твердых веществ внутри насосно-компрессорных труб может привести к потере или уменьшению потока нефти или газа через насосно-компрессорные трубы. Твердые вещества могут образовываться из нескольких различных веществ. Например, твердые вещества могут представлять собой гидраты, образовавшиеся из смеси газа и воды, воск, асфальтены или органические и неорганические соли. Данные твердые вещества растворимы в добываемом флюиде при температуре добычи, а затем выпадают в осадок из добываемого флюида при температурах ниже температур добычи или при изменении давления. Например, растворенные твердые вещества могут выпадать в осадок из углеводородного флюида в результате снижения температуры флюида, аналогично образованию льда в воде, которую охладили ниже температуры замерзания воды. Кроме того, изменение давления углеводородного флюида может привести к выпадению в осадок растворенных твердых веществ из углеводородного флюида. Химические реакции в углеводородном флюиде также могут привести к выпадению в осадок растворенных твердых веществ из углеводородного флюида.
Уменьшение или потеря потока, вызванные отложением твердых веществ внутри трубопровода, могут потребовать значительных усилий, направленных на исправление ситуации. Например, могут потребоваться продувка, сверление или обработка теплом или химическими реактивами трубопровода с отложениями твердых веществ для растворения твердых веществ и возврата трубопровода в его исходное состояние. Такие усилия, направленные на исправление ситуации, отнимают много времени и являются дорогостоящими.
При попытках решения данной проблемы использовали различные подходы. Например, были разработаны различные технологии, в которых либо нагревают трубопровод для добываемого флюида, либо изолируют трубопроводы, пытаясь сохранить температуру и давление добываемого флюида вне области, где может происходить образование твердых веществ.
Альтернативный подход, который пытались использовать, состоит в признании неизбежности тепловых потерь и снижения давления, связанных с течением добываемого флюида через насосно-компрессорные трубы, проходящие по морскому дну, и в попытке регулирования процесса образования твердых веществ внутри трубопровода. Обычно данное решение называют технологией "холодного потока" или "переохлажденного потока". В системах холодного потока добываемый флюид охлаждают на входе до температуры, при которой твердые вещества выпадают в осадок из добываемого флюида. Таким образом, твердые вещества транспортируют вместе с добываемым флюидом в виде суспензии. Суспензия представляет собой суспензию твердых веществ в жидкости. Вероятно, твердые вещества в суспензии менее склонны к отложению в трубопроводе, чем твердые вещества, которые выпадают в осадок из флюида в различных местах вдоль трубопровода.
Имеются некоторые недостатки и проблемы, связанные с существующими системами холодного потока. В основном, данные системы являются сложными, нестабильными и показывают неудовлетворительные результаты. В частности, доказано, что трудно регулировать образование твердых веществ таким образом, чтобы не происходило отложение данных твердых веществ в системе или в трубопроводе.
Поэтому требуется более эффективная технология для обеспечения холодного потока углеводородных продуктов. В частности, требуется технология холодного потока, которая могла бы предоставить возможность образования углеводородной суспензии в подводном трубопроводе и ее транспортировки в требуемый пункт назначения без прилипания к стенкам трубопровода.
Краткое описание изобретения
Предложена технология получения суспензии твердых частиц и добываемого углеводородного флюида для транспортировки по подводному трубопроводу. В данной технологии применяют систему холодного потока, которая охлаждает добываемый флюид до температуры, которая ниже температуры, при которой гидраты и другие вещества выпадают в осадок из добываемого флюида и образуют твердые частицы. Система пригодна для определения по меньшей мере одной характеристики твердых частиц, образовавшихся в добываемом флюиде, например, размера и/или числа твердых частиц в добываемом флюиде. В системе можно применять разное количество датчиков различных типов, например, расходомеры и счетчики числа частиц, чтобы определить характеристики твердых частиц в добываемом флюиде. Кроме того, система пригодна для регулирования работы системы на основе характеристик твердых частиц и, таким образом, для регулирования свойств суспензии твердых частиц и добываемого углеводородного флюида, получаемой в системе.
Можно применять охлаждающий газ для облегчения переохлаждения добываемого флюида. Сжатый охлаждающий газ при расширении охлаждает добываемый флюид в результате эффекта Джоуля-Томсона. Охлаждающий газ обеспечивает дополнительное переохлаждение добываемого флюида.
Кроме того, можно применять регулятор выходного давления для регулирования размера и/или числа твердых частиц в системе холодного потока. Регулятор выходного давления можно применять для регулирования потока через систему и, следовательно, для регулирования образования твердых частиц в суспензии.
Для получения и обработки данных от датчиков применяют контрольно-измерительную аппаратуру. Затем контрольно-измерительная аппаратура подает управляющие сигналы одному или нескольким компонентам системы холодного потока для получения суспензии, включающей твердые частицы с требуемыми характеристиками. Например, контрольно-измерительная аппаратура может регулировать работу системы холодного потока для уменьшения числа и/или размера твердых частиц на основе данных, полученных от датчиков.
Чертежи
Указанные и другие отличительные признаки, аспекты и преимущества настоящего изобретения станут более понятными при чтении последующего подробного описания со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых одинаковые детали обозначены одинаковыми позициями на всех чертежах, где:
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение системы для получения потока добываемого флюида из скважины, который охлаждают ниже температуры образования гидратов, согласно примеру воплощения настоящей технологии;
Фиг.2 представляет собой график зависимости между содержанием воды и вязкостью, согласно примеру воплощения настоящей технологии;
Фиг.3 представляет собой поперечное сечение насоса-измельчителя в системе для получения потока добываемого флюида из скважины, который охлаждают ниже температуры образования гидратов, согласно примеру воплощения настоящей технологии;
Фиг.4 представляет собой вертикальную проекцию охлаждающего контура системы для получения потока добываемого флюида из скважины, который охлаждают ниже температуры образования гидратов, согласно примеру воплощения настоящей технологии, и
Фиг.5 представляет собой схематическое изображение альтернативного воплощения системы для получения потока добываемого флюида из скважины, который охлаждают ниже температуры образования гидратов, согласно примеру воплощения настоящей технологии.
Подробное описание изобретения
Теперь обратимся к Фиг.1; описание настоящего изобретения будет дано в таком виде, как его можно применять в сочетании с примером технологии, в данном случае, системы для получения потока добываемого флюида из подводной скважины, который охлаждают от температуры, которая выше температуры, при которой гидраты могут стать твердыми, до температуры, которая ниже температуры, при которой гидраты в добываемом флюиде могут стать твердыми; данная система в целом обозначена позицией 20. В результате снижения температуры гидраты в добываемом флюиде могут стать твердыми. Однако, как более подробно будет рассмотрено ниже, система 20 переохлаждения регулирует образование твердых гидратов таким образом, что размер твердых частиц гидратов остается достаточно маленьким, и они не образуют отложения в виде твердого слоя внутри системы 20 переохлаждения или в трубопроводах на выходе из системы 20 переохлаждения. В результате, переохлажденный флюид можно транспортировать на расстояния, составляющие много миль, без проблем, связанных с отложением твердого слоя гидратов в трубопроводе.
Добываемый флюид 22 поступает в систему 20 переохлаждения через впускной трубопровод 24. Добываемый флюид 22 выходит в виде суспензии 26 частиц гидратов и флюидов через выпускной трубопровод 38. В изображенном на чертеже воплощении изобретения добываемый флюид 22 поступает в систему при температуре, которая выше температуры, при которой гидраты в системе переохлаждения являются твердыми, т.е. выше температуры образования гидратов при давлении добываемого флюида. Система 20 переохлаждения охлаждает добываемый флюид 22, поступающий в систему, до температуры, которая ниже температуры, при которой гидраты в системе переохлаждения становятся твердыми, т.е. ниже температуры образования гидратов при заданном давлении добываемого флюида из скважины. В результате, частицы гидратов выпадают в осадок из добываемого флюида 22. Частицы гидратов смешивают с оставшейся жидкой частью добываемого флюида 22, получая суспензию 26 твердых частиц гидратов и добываемого флюида.
Для предотвращения отложения гидратов во впускном трубопроводе 22, впускной трубопровод 22 изолируют, чтобы поддержать температуру добываемого флюида 22, поступающего в систему 20, выше температуры образования гидратов. Однако часть впускного трубопровода 22 можно не изолировать или можно изолировать с применением меньшего количества изоляционного материала, чтобы начался процесс охлаждения. Наоборот, выпускной трубопровод 24 не изолируют, чтобы предоставить возможность утечки тепла от добываемого флюида в выпускном трубопроводе 24 и поддержать температуру добываемого флюида ниже температуры, при которой гидраты становятся твердыми. Например, если на выходе из системы 20 переохлаждения температура добываемого флюида поднимется выше температуры плавления гидратов, то частицы гидратов могут расплавиться и вернуться в жидкое состояние. Если затем снова охладить добываемый флюид ниже температуры образования гидратов, то гидраты могут снова стать твердыми, что потенциально может привести к отложению слоя твердых частиц внутри трубопровода, что может мешать потоку добываемого флюида.
В изображенном на чертеже воплощении изобретения система 20 переохлаждения включает насос 30 и охлаждающее устройство 32, расположенное в обводном трубопроводе 34. Насос 30 включает впускное отверстие 36 и выпускное отверстие 38. Часть потока из выпускного отверстия 38 насоса 30 отводят через обводной трубопровод 34. Данную часть добываемого флюида охлаждают ниже температуры образования твердых частиц гидратов с помощью охлаждающего устройства 32. Гидраты выпадают в осадок из добываемого флюида, и как гидраты, так и охлажденный добываемый флюид вводят обратно в поток добываемого флюида перед насосом 30. Насос 30 измельчает частицы гидратов, таким образом, уменьшая размер частиц, плавающих в суспензии 26. Как указано выше, продукт системы 20 представляет собой суспензию 26, которую выпускают через выпускной трубопровод 28.
Регулятор 40 выходного давления применяют в данном воплощении изобретения для регулирования выходного давления в системе 20, чтобы получить требуемый поток флюида через обводной трубопровод 34. Кроме того, применяют рециркуляционный клапан 42 для регулирования повторного введения переохлажденного флюида из обводного трубопровода 34 во впускное отверстие 36 насоса 30. Как более подробно будет рассмотрено ниже, один или оба указанных клапана могут приводиться в действие автоматически для регулирования размера частиц гидратов в суспензии 26, выходящей из системы переохлаждения 20.
В изображенном на чертеже воплощении изобретения система 20 переохлаждения включает контрольно-измерительную аппаратуру 44, которая выполнена с возможностью регулирования работы системы 20, чтобы частицы гидратов, которые выпадают в осадок во время переохлаждения, имели маленький размер и были пригодными для транспортировки. Контрольно-измерительная аппаратура 44 включает датчики 46, которые применяют для определения характеристик суспензии, таких как размер и/или число частиц гидратов в суспензии. Для определения характеристик суспензии можно применять различные технологии. В частности, для определения характеристик частиц гидратов в суспензии можно применять различные технологии. Например, можно применять приспособления, в которых используют датчики электромагнитного излучения, звуковые датчики, оптические датчики и/или датчики радиоактивности. В данных приспособлениях можно применять источники и/или детекторы микроволнового излучения, рентгеновского излучения, гамма-лучей, нейтронов и т.д. Данные от указанных различных приспособлений можно применять для идентификации частиц гидратов и их выделения среди других частиц в суспензии. Кроме того, указанные данные могут включать число, размер и/или другие требуемые характеристики, которые можно применять для определения характеристик твердых частиц в суспензии.
В данном воплощении изобретения контрольно-измерительная аппаратура 44 также получает данные от многофазного расходомера 50. Данные от различных датчиков поступают в контрольно-измерительный блок 48, который обрабатывает указанные данные для определения характеристик частиц гидратов в системе 20. Если частицы гидратов являются слишком большими, то контрольно-измерительная аппаратура 44 регулирует работу системы 20 для уменьшения размера частиц гидратов в системе 20 переохлаждения.
В данном воплощении изобретения клапан 40 для регулирования выходного давления и рециркуляционный клапан 42 представляют собой клапаны с электроприводом, которыми управляет контрольно-измерительная аппаратура 44. Данные клапаны можно приводить в действие для регулирования потока в обводном трубопроводе 34, который будет регулировать поток суспензии 26 из системы 20. Если размер частиц гидратов в суспензии 26 является слишком большим, то данные клапаны можно приводить в действие для снижения или даже блокирования потока из системы. Это может предоставить насосу 30 дополнительную возможность измельчения частиц гидратов и, таким образом, уменьшения размера частиц гидратов. Кроме того, в данном воплощении изобретения скорость работы насоса 30 регулируют с помощью контрольно-измерительной аппаратуры 44. Путем увеличения скорости работы насоса 30 можно усилить измельчение частиц гидратов,
Для определения характеристик частиц гидратов в системе 20 переохлаждения в датчиках 46 можно использовать несколько различных типов технологий. Например, можно применять технологию подсчета числа частиц. В качестве альтернативы, для определения характеристик частиц гидратов в суспензии можно использовать реологические свойства суспензии. Реология изучает деформацию и течение материалов под влиянием приложенного напряжения, например, напряжения сдвига или напряжения расширения. Вязкость представляет собой пример реологического свойства текучей среды или суспензии, также как и число Рейнольдса.
Обратимся к Фиг.2 в целом; на данном чертеже изображен график зависимости между размером частиц и вязкостью суспензии, обозначенный в целом позицией 52. По вертикальной оси 54 отложена вязкость. По горизонтальной оси 56 отложено процентное содержание воды в суспензии. На Фиг.2 представлены три кривые зависимости вязкости от содержания воды в суспензии: первая кривая 58, вторая кривая 60 и третья кривая 62. Данные три кривые относятся к суспензиям с различными размерами частиц. Первая кривая 58 относится к суспензии с частицами самого маленького размера. Вторая кривая 60 относится к суспензии, в которой частицы больше, чем частицы на первой кривой 58. Наконец, третья кривая 62 относится к суспензии, в которой частицы больше, чем частицы на второй кривой 60. Из графика 52 можно видеть, что чем меньше частицы, тем ниже вязкость.
В изображенном на чертеже воплощении изобретения контрольно-измерительная аппаратура 44 выполнена с возможностью обратного расчета размера частиц на основе содержания воды и вязкости. Эффективную вязкость получают из падения давления, определенного с помощью многофазного расходомера 50. Однако вязкость можно определять и с помощью другого приспособления.
Кроме того, для определения характеристик добываемого флюида и/или суспензии можно применять томографию. Томография представляет собой получение изображения, которое осуществляют в сечениях или послойно. Для получения данных для построения изображения суспензии, которые позволяют контрольно-измерительной аппаратуре определить характеристики суспензии, можно применять такие технологии получения изображения, как микроволновое излучение, МРТ (магнитно-резонансная томография), ЯМР (ядерный магнитный резонанс), ультразвук. Это предоставляет возможность системе определить: образовался ли требуемый однородный поток суспензии или образовался неоднородный поток вследствие неудовлетворительной работы устройства для получения потока переохлажденной жидкости.
Снова обратимся к Фиг.1; охлажденный газ 64 вводят в обводной трубопровод 34 перед рециркуляционным клапаном 42 через впускное отверстие 66 для охлажденного газа в изображенном на чертеже воплощении изобретения. Охлажденный газ 64 обеспечивает дополнительное охлаждение суспензии при расширении в результате эффекта Джоуля-Томсона. Дополнительное охлаждение, обеспечиваемое охлажденным газом, повышает способность системы 20 к получению частиц гидратов из добываемого флюида. Кроме того, охлажденный газ 64 увеличивает скорость суспензии. Увеличение скорости повышает способность системы 20 к получению маленьких, пригодных для транспортировки частиц гидратов.
Обратимся к Фиг.3 в целом; насос 30 выполнен с возможностью уменьшения размера частиц гидратов, образовавшихся внутри системы 20. Насос 30 включает двигатель 68 с приводным валом 70, который соединен с лопастным колесом 72, которое выполнено с возможностью измельчения частиц гидратов. В частности, лопастное колесо 72 в изображенном на чертеже воплощении изобретения представляет собой не одинарное лопастное колесо, а ряд лопастных колес, которые последовательно соединены друг с другом вдоль вала 70. Таким образом, частицы гидратов должны проходить через множество лопастных колес при прохождении через насос 30. В результате, лопасти лопастного колеса 72 дробят частицы 74 гидратов, поступающие в насос 30, на более мелкие частицы 76 гидратов. Кроме того, в данном воплощении изобретения двигатель 68 насоса 30 получает управляющий сигнал 78 от контрольно-измерительного блока 48. Управляющий сигнал 78 применяют для регулирования частоты вращения двигателя 68. Чем выше частота вращения двигателя 68, тем выше частота вращения лопастного колеса 72. Чем выше частота вращения лопастного колеса 72, тем большее давление создает насос 30 и тем сильнее он дробит частицы гидратов.
Обратимся к Фиг.4 в целом; в охлаждающем устройстве 32 применяют охлаждающий змеевик 80 для облегчения передачи тепла окружающей морской воде 82. Охлаждающий змеевик 80 состоит из трубы 84, которая свернута в спираль вокруг колонн 86 конструкции 88. Кроме того, в данном воплощении изобретения насос 30 и другие компоненты системы 20 переохлаждения установлены на конструкцию 88. В данном воплощении изобретения конструкция 88 расположена на морском дне 90.
Обратимся к Фиг.5 в целом; на данном чертеже представлено альтернативное воплощение системы переохлаждения, которая в целом обозначена позицией 92. В данном воплощении изобретения охлажденный газ 60 вводят после рециркуляционного клапана 38. В данной конфигурации охлажденный газ 60 приводит к большему переохлаждению добываемого флюида. Поток охлаждающего газа 64 регулируют с помощью регулирующего клапана 94 для охлаждающего газа.
В данном воплощении изобретения рециркуляционный клапан 42 перемещен и установлен перед охлаждающей установкой 32, а клапан для регулирования выходного давления удален. Поток через обводной трубопровод 34 регулируют с помощью рециркуляционного клапана 42.
Хотя в данном документе были проиллюстрированы и описаны только некоторые отличительные признаки изобретения, специалисты в данной области могут предложить множество модификаций и изменений. Поэтому понятно, что прилагаемая формула изобретения подразумевает, что все такие модификации и изменения включены в объем настоящего изобретения.