АКТИВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПОДВОДНЫМИ ОХЛАДИТЕЛЯМИ
ACTIVE MANAGEMENT OF UNDERWATER COOLERS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе охлаждения, содержащей по меньшей мере первый и второй охладители, соединенные друг с другом последовательно, а также третий охладитель, соединенный параллельно с указанными первым и вторым охладителями. По меньшей мере один из указанных охладителей содержит контур рециркуляции. Система специально рассчитана на применение в подводных условиях.
Уровень техники
Охладители в общем хорошо известны в технике, однако менее известны подводные охладители. Примеры подводных охладителей, которые охлаждают поток продукта из скважин, например, поток углеводородов раскрыты, например, в опубликованной международной заявке WO 2011008101 A1, которая целиком включена в настоящее описание посредством ссылки или в норвежском патенте NO 330761 B1. Другие известные подводные охладители описаны в международных заявках WO 2010110674 A2 и WO 2010110676 A2.
Работоспособность компрессора частично зависит от скорости потока и температуры среды, подлежащей компрессии. Доказано, что охлаждение среды увеличивает производительность компрессора. Также доказано, что потребность в надежном полностью работоспособном компрессоре, который требует минимального технического обслуживания, особо важна при подводном применении в связи с трудностью доступа, удаленностью и суровостью условий подводной среды. Однако при охлаждении потока углеводородов, помимо других проблем может возникать проблема образования гидратов. Образование гидратов происходит, поскольку вода обычно образует часть потока углеводородов, при этом при охлаждении потока эта вода получает возможность отделиться от потока в виде свободной воды. Гидраты могут кристаллизоваться или уплотняться, создавая опасность закупорки труб, магистралей или трубопроводов. Поэтому важно, чтобы охлаждающий агрегат был приспособлен к конкретному применению, а также к объему и составу среды, подлежащей охлаждению.
Доказано, что трудно организовать систему охлаждения, которая была бы гибкой в отношении скорости потока и температуры потока продукта из скважины.
Раскрытие изобретения
Поэтому задача настоящего изобретения заключается в создании системы охлаждения, которая является гибкой в отношении требований к охлаждению потока продукта из скважины на протяжении срока ее службы.
Другая задача изобретения состоит в обеспечении поддержания температуры охлажденного потока в заданном диапазоне значений.
Изобретение сформулировано и его отличительные признаки установлены в независимом пункте формулы изобретения, в то время как в зависимых пунктах раскрыты другие характеристики изобретения.
Согласно настоящему изобретению предлагается система охлаждения, содержащая вход и выход, а также: по меньшей мере первый охладитель и второй охладитель, причем первый охладитель и второй охладитель соединены друг с другом последовательно, при этом система охлаждения дополнительно содержит по меньшей мере третий охладитель, который соединен параллельно с первым охладителем и вторым охладителем, а также система охлаждения содержит по меньшей мере один регулятор потока для направления потока по меньшей мере через один охладитель, при этом по меньшей мере один из охладителей содержит перепускной контур и/или контур рециркуляции. Контур рециркуляции позволяет осуществить дополнительное охлаждение по меньшей мере части потока продукта из скважины, а в ином варианте и всего потока в тех ситуациях, когда охлаждение потока недостаточное. Дополнительно может быть организован перепускной контур в обход указанного первого охладителя и/или второго охладителя, причем перепускной контур позволяет направлять по меньшей мере часть потока или же весь поток в обход охладителя. Это могло бы быть полезным в тех случаях, когда охлаждение, например, дополнительное охлаждение не требуется или является излишним или нежелательным из-за температуры потока продукта из скважины, например, в силу того, что температура потока продукта из скважины может изменяться во времени и/или скорость потока продукта из скважины может изменяться в течение срока службы месторождения. Перепускной контур может образовывать часть контура рециркуляции, например, за счет использования трехходовых клапанов, позволяющих полностью перекрывать поток, а также пропускать поток в первом направлении или во втором направлении. С другой стороны, перепускной контур и контур рециркуляции могут быть образованы отдельными патрубками, трубопроводами и т.п., которые направляют поток в обход охладителя или позволяют ему рециркулировать вокруг или, в качестве альтернативы, внутри охладителя. Третий охладитель или любое число дополнительных охладителей могут быть соединены с первым и вторым охладителем посредством одного или более параллельных соединений. Могут также присутствовать дополнительные охладители наряду с первым и вторым охладителями. Согласно одному варианту осуществления изобретения третий охладитель содержит контур рециркуляции. Согласно другому варианту осуществления третий охладитель содержит перепускной контур и/или контур рециркуляции. Однако следует понимать, что любой из охладителей - первый, второй, третий или любые дополнительные охладители могут быть оснащены контуром рециркуляции и/или перепускным контуром. Третий охладитель может быть соединен последовательно по меньшей мере с одним другим охладителем. Различные последовательные соединения, например, обозначенные одной ветвью, могут иметь одинаковый максимальный охлаждающий эффект или различный охлаждающий эффект. Охлаждающий эффект от одного последовательного соединения или ветви также зависит от ожидаемой скорости потока продукта из скважины. Система охлаждения содержит по меньшей мере один регулятор потока для направления потока текучей среды по меньшей мере через одно из указанных устройств - первый охладитель, второй охладитель, третий охладитель и/или перепускную линию. Регулятор потока предпочтительно представляет собой клапан или другие средства способные направлять поток продукта из скважины. Система может быть оснащена одним, двумя или несколькими регуляторами потока, которые направляют поток продукта из скважины через требуемые охладители, перепускную линию или перепускные контуры.
Система охлаждения может быть оснащена средствами для закачки МЭГ (моноэтиленгликоля), чтобы воспрепятствовать образованию гидратов. Средства закачки МЭГ могли бы стать применимыми и во время стандартной работы системы охлаждения при нормальных условиях потока и при прекращении потока и т.д.
Чтобы создать систему охлаждения, соответствующую изобретению, ряд охладителей или охлаждающих агрегатов можно построить так, как это раскрыто в международной заявке WO 2011008101 A1. В заявке WO 2011008101 A1 описан подводный охлаждающий агрегат, содержащий первую магистральную трубу и вторую магистральную трубу, продольная ось которой практически параллельна продольной оси первой магистральной трубы, при этом вторая магистральная труба расположена на расстоянии от первой магистральной трубы. Между первой и второй магистральными трубами расположен по меньшей мере один набор охлаждающих змеевиков. Указанный по меньшей мере один набор выполнен так, что змеевики расположены в одной плоскости. Первая магистральная труба приспособлена для сообщения по меньшей мере с одной углеводородной скважиной и образует общий вход подводного охлаждающего агрегата. Вторая магистральная труба приспособлена для сообщения с трубопроводом и образует общий выход подводного охлаждающего агрегата. Каждый набор охлаждающих змеевиков индивидуально соединен с обеими магистральными трубами. Магистральные трубы приспособлены для соединения с подводным технологическим оборудованием и образуют вход и выход подводного охлаждающего агрегата. Охлаждающий агрегат может быть использован для охлаждения текучей среды посредством, например, морской воды. Текучая среда, подлежащая охлаждению, может затем быть направлена через магистральные трубы и змеевики для охлаждения морской водой. Длину пути потока в наборе охлаждающих змеевиков можно легко корректировать. Число наборов охлаждающих змеевиков также можно легко корректировать. Это позволяет получить охлаждающий агрегат, который можно легко приспособить для конкретного применения и получения необходимого охлаждающего эффекта в конкретном месте. Благодаря расположению охлаждающих змеевиков в одной плоскости несколько наборов змеевиков можно легко расположить рядом друг с другом. За счет этого можно легко регулировать охлаждающий эффект, увеличивая или уменьшая число наборов, расположенных между обеими магистральными трубами и напрямую сообщающихся с магистральными трубами, и в то же самое время можно изменять длину магистральных труб, чтобы разместить нужное число наборов охлаждающих змеевиков. Охлаждающее действие одного охлаждающего агрегата можно изменять на протяжении времени эксплуатации охлаждающего агрегата, если магистральные трубы выполнить так, чтобы на протяжении периода эксплуатации они могли принимать дополнительные наборы охлаждающих змеевиков. По меньшей мере один набор охлаждающих змеевиков может иметь змеевидную форму и может содержать по меньшей мере три прямые трубы и по меньшей мере два поворота на 180°, при этом прямые трубы и повороты выполнены так, чтобы образовать непрерывные змеевики, образующие внутренний канал для потока и два соединителя, по одному на каждом конце указанного канала, для присоединения набора охлаждающих змеевиков к магистральным трубам. В предпочтительном случае прямые участки труб и повороты должны представлять собой заранее изготовленные стандартные изделия. Сборка прямых труб и поворотов позволяет затем получить змеевидный канал для потока. Собирая вместе определенное число указанных элементов, можно получить необходимую длину набора охлаждающих змеевиков, которая требуется для конкретного применения, что придает охлаждающему агрегату универсальность. Стандартизация элементов, образующих охлаждающий агрегат, также снижает его стоимость и делает легко приспосабливаемым.
Одиночный охладитель может быть устроен в виде агрегата, имеющего в верхней части вход для приема продукта из скважины, который ведет к охлаждающему змеевику. Охлаждающий змеевик может содержать несколько прямых труб и поворотов, ведущих к выходу для выпуска потока продукта из скважины, причем выход расположен в горизонтальной плоскости ниже горизонтальной плоскости входа. В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения охладитель может быть оснащен герметичными стенками с каждой стороны и отверстием в нижней части. Кроме того, охладитель может быть оснащен первой и второй перфорированными пластинами на верхней стороне герметичных стенок. Предпочтительно морская вода поступает в охладитель снизу, а выходит через его верхнюю часть. Первая перфорированная пластина и вторая перфорированная пластины могут быть оснащены одинаковыми или разными отверстиями. Первая и вторая перфорированные пластины могут быть подвижными друг относительно друга. Вторая перфорированная пластина может быть неподвижной относительно герметичных стенок охладителя. Первая перфорированная пластина может быть подвижной и расположенной параллельно второй перфорированной пластине. Перемещение первой перфорированной пластины можно осуществлять посредством привода. Привод может быть механического типа, электрического типа и т.п. За счет того, что одна пластина выполнена подвижной относительно второй пластины, можно регулировать поток морской воды через охладитель, т.е. регулировать площадь сечения потока, давая возможность большему или меньшему количеству морской воды проходить через отверстия. Если отверстия двух пластин совпадают, то площадь сечения потока максимальна. Благодаря такой конструкции, охлаждение потока продукта из скважины происходит за счет контролируемой естественной конвекции. Кроме перфорированных пластин, можно использовать другие средства регулирования потока. Примерами могут служить различные виды клапанов, тарельчатый клапан, откидной клапан и другие средства, которые могут частично или полностью ограничивать поток морской воды вокруг змеевиков охлаждающего агрегата. Альтернативно можно разместить средства для принудительного перемещения потока, например, морской воды через охладитель, такие как насос, движительные средства, гребной винт и т.п. Поток продукта из скважины, имеющий высокую температуру, поступает в змеевик и через стенки охлаждающего змеевика подвергается воздействию морской воды, которая уже была подогрета потоком продукта из скважины в нижней части охладителя. Поэтому поток продукта из скважины испытывает постепенное охлаждение, т.е. вначале он подвергается действию подогретой морской воды, а затем - действию холодной морской воды. Подогретая морская вода будет всегда стремиться вверх, в направлении более холодной воды, и, если охладитель открыт, позволяя полное или частичное прохождение сквозь него морской воды, то установится естественный поток морской воды вокруг змеевиков в охладителе. Согласно варианту осуществления системы охлаждения, по меньшей мере два из охладителей могут обладать различной охлаждающей способностью. Потребность в охлаждении, как функция времени, может меняться на одном и том же месторождении и даже на одном и том же потоке продукта из скважины. Большую гибкость в отношении требуемого охлаждающего действия можно достичь, если обеспечить охладители с различной и даже равной охлаждающей способностью, соединенные последовательно и параллельно, а также оснащенные перепускной линией и средствами регулирования потока для пропускания или остановки потоков через различные охладители.
Согласно варианту осуществления настоящего изобретения в отношении по меньшей мере одного охладителя указанный охладитель содержит: вход и выход для потока морской воды, входное отверстие и выходное отверстие для охлаждающей среды, причем выходное отверстие содержит средства регулирования потока текучей среды, предназначенные для регулирования потока охлаждающей среды через охладитель. Средства регулирования потока могут быть выполнены в виде двух или более перфорированных пластин, причем перфорированные пластины выполнены с возможностью перемещения друг относительно друга, как это было рассмотрено выше. В качестве альтернативы, средства регулирования потока могут представлять собой клапаны, откидные заслонки и другие средства, способные регулировать площадь сечения потока, как об этом говорилось выше. Чем больше площадь сечения потока, тем больше скорость потока благодаря естественной конвекции, в то время как уменьшение площади сечения потока приводит к уменьшению скорости потока. Два или более охладителей можно соединять последовательно или параллельно.
Если к системе охлаждения присоединяют дополнительные скважины, то охлаждающее действие такого последовательного соединения может быть отрегулировано в соответствии с требованиями охлаждения для данной дополнительной скважины или дополнительных скважин. Поскольку разные скважины могут иметь продукт разного состава, разную скорость потока и температуру, то можно направить поток из одной скважины в первое последовательное соединение охладителей, поток из второй скважины направить во второе последовательное соединение охладителей и т.п. С другой стороны, можно смешивать потоки из отдельных скважин, пропуская смешанный поток через одно последовательное соединение охладителей.
Согласно варианту осуществления изобретения система охлаждения содержит перепускную линию, проходящую в обход всех охладителей. Перепускная линия может быть отдельной перепускной линией, расположенной параллельно относительно последовательно соединенных охладителей, или перепускным контуром на каждом охладителе внутри одного последовательного соединения охладителей. Это дает возможность направлять поток продукта из скважины в обход всех охладителей и может быть полезным в ситуациях, когда охлаждение не требуется или когда на охладителях производятся работы по техническому обслуживанию.
Согласно варианту осуществления системы охлаждения охладители могут содержать средства контроля температуры и могут быть выполнены с возможностью обратной передачи части потока текучей среды через контур рециркуляции, если температура превышает пороговое значение. Система также может содержать другие виды датчиков, такие как датчики потока, датчики давления и т.п. Датчики могут быть расположены в различных местах системы охлаждения, например, на каждом охладителе, между охладителями, на входе в последовательность охладителей и т.п. Считывая показания датчиков, оператор может контролировать систему охлаждения и охладители, направлять поток в другой набор охладителей, передавать в обратном направлении весь поток или часть потока, осуществлять перепуск всего потока или части потока через перепускную линию или перепускной контур, смотря что требуется.
Далее изобретение будет описано на примерах его осуществления, которые не имеют ограничительного характера и со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 изображает примеры различных систем охлаждения, соответствующих настоящему изобретению, причем системы A), B), C), D), E), F) содержат охладители с равной охлаждающей способностью.
Фиг. 2 изображает примеры систем охлаждения, содержащих охладители с равной или различной охлаждающей способностью.
Фиг. 3A изображает боковой вид варианта осуществления одиночного охладителя, соответствующий настоящему изобретению.
Фиг. 3B изображает вид сверху перфорированной пластины одиночного охладителя.
Фиг. 4 изображает первый вариант осуществления системы охлаждения, содержащей пять параллельных последовательностей охладителей, в которой некоторые из охладителей оснащены контуром рециркуляции.
Фиг. 5 изображает второй вариант осуществления системы охлаждения, в которой некоторые из охладителей оснащены контуром рециркуляции и перепускным контуром.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показаны примеры различных систем охлаждения, соответствующих настоящему изобретению. Системы А), В), С), D), Е), F) содержат охладители 20 с равной охлаждающей способностью. В варианте осуществления А) показано пять одинаковых охладителей, обладающих равной охлаждающей способностью. Вариант осуществления В) представляет собой охлаждающую систему, содержащую один охладитель 20. Вариант осуществления С) представляет охлаждающую систему, содержащую два охладителя 20, соединенных последовательно. Варианты D), Е) и F) представляют собой конструкции систем охлаждения, которые содержат соответственно три, четыре и пять охладителей 20.
На фиг. 2 изображены примеры систем охлаждения, содержащие охладители равной или различной охлаждающей способности. Вариант осуществления А) содержит четыре различных охладителя 21, 22, 23, 24. Различный размер графических изображений охладителей 21, 22, 23, 24 обозначает их различную охлаждающую способность. Охладитель 21, также показанный в варианте В), изображен наименьшим из охладителей 21, 22, 23, 24, что указывает на то, что он обладает наименьшей охлаждающей способностью. Охладитель 22, который также показан в варианте С), крупнее охладителя 21, что указывает на то, что он обладает более высокой охлаждающей способностью, чем охладитель 21. Аналогично, охладители 23 и 24 изображены еще более крупными, чем охладитель 22, что указывает на то, что они обладают более высокой охлаждающей способностью, чем охладитель 22. В варианте D) представлен пример двух различных систем охлаждения, при этом указанные системы обладают равной охлаждающей способностью. Показано, что система, состоящая из двух охладителей 21, 22, имеет такой же размер, а, следовательно, и такую же охлаждающую способность, что и система, которая состоит из одного охладителя 23. Аналогично, в варианте Е) показаны две системы охлаждения, обладающие равной охлаждающей способностью. Одна из систем состоит из охладителя 21 и охладителя 23, что соответствует системе охлаждения, которая состоит из одного охладителя 24. Варианты осуществления F), G), Н), I), J), K) представляют различные примеры систем охлаждения, содержащих два или более различных охладителей 21, 22, 23, 24 соответственно.
На фиг. 3A изображен вариант осуществления одиночного охладителя, соответствующего настоящему изобретению. На данном примере охладитель размещен в подводной среде. Поток продукта из скважины, например поток углеводородов, поступает в охлаждающий змеевик 10 в его верхней части. Направление втекания показано стрелкой А. Поток продукта из скважины выходит из охладителя в его нижней части. Направление вытекания продукта из змеевика 10 в охладителе показано стрелкой В. В предпочтительном варианте морская вода входит снизу охладителя (на фигуре показано стрелкой С), а выходит через верхнюю часть охладителя, как оказывает стрелка D. На верхней стороне охладителя расположена первая перфорированная пластина 11 и вторая перфорированная пластина 13 с отверстиями 12. Вторая перфорированная пластина 13 соединена со стенками охладителя. Первая перфорированная пластина 11 выполнена с возможностью перемещения и расположена параллельно плоскости второй перфорированной пластины 13. Перемещение первой перфорированной пластины 11 осуществляют, например, посредством привода 14, который обычно является приводом механического типа, электрического типа и т.п. Меняя положение первой подвижной перфорированной пластины 11 относительно второй перфорированной пластины 13, можно регулировать поток морской воды через охладитель, так как охлаждение потока продукта из скважины происходит за счет естественной конвекции. Поток продукта из скважины, имеющий высокую температуру, поступает в змеевик 10 в охладителе, как показывает стрелка А и обменивается теплом с морской водой, которая уже была нагрета потоком продукта из скважины в нижней части охладителя. Поэтому поток продукта из скважины испытывает постепенное охлаждение, т.е. вначале поток подвергается действию подогретой морской воды, а затем поток подвергается действию холодной морской воды. Подогретая морская вода будет двигаться внутри охладителя, в данном случае вода будет подниматься. В силу конвекции нагретая морская вода движется в сторону сравнительно более холодной области.
Фиг. 3B изображает вид сверху примера конфигурации первой перфорированной пластины 11, оснащенной отверстиями 12. Перемещение первой перфорированной пластины 11 относительно второй перфорированной пластины 13 регулирует площадь сечения потока через отверстия первой и второй перфорированных пластин, т.е. скорость конвекционного потока морской воды, проходящей через охладитель.
На фиг. 4 изображен первый вариант осуществления системы охлаждения, соответствующей настоящему изобретению. Поток продукта из скважины поступает в систему охлаждения через приемную трубу 45. Направление потока показано стрелкой А. Поток выходит из системы охлаждения через выходную трубу 46. Направление потока показано стрелкой В. На фиг. 4 показаны пять ветвей 30, 31, 32, 33, 34, при этом все ветви соединены параллельно друг другу. На входе каждого из последовательных соединений 30, 31, 32, 33, 34 охладителей установлен регулятор 36 потока, управляющий втеканием продукта в каждую ветвь и в каждый охладитель. Регулятор 36 потока обычно представляет собой трехходовой клапан или другое средство, способное направлять поток продукта из скважины. Система охлаждения может также содержать средства контроля температуры (не показаны), такие как датчики температуры. Кроме того, могут быть использованы и другие датчики, такие как датчики потока, датчики давления и т.п. Датчики могут быть расположены в различных местах системы охлаждения, например, по одному на каждом охладителе, между охладителями, на входе в последовательности охладителей и т.п. В зависимости от требуемой охлаждающей способности, регуляторы 36 потока, расположенные на входе каждого из последовательных соединений охладителей, могут направлять поток в один или более различных последовательных соединений. В данном примере осуществления системы охлаждения последовательное соединение 31 представляет собой последовательность охладителей, обладающую наибольшей охлаждающей способностью из всех показанных последовательных соединений, в то время как последовательное соединение 33 обладает наименьшей охлаждающей способностью, если не рассматривать последовательное соединение 34. Соединение 34 представляет собой перепускную линию, которая позволяет потоку проходить через систему охлаждения, минуя все охладители.
На фиг. 5 изображен второй вариант осуществления системы охлаждения, соответствующей настоящему изобретению. Что касается каждого охладителя, то помимо контура 37 рециркуляции может быть предусмотрен перепускной контур 37, 38, направляющий по меньшей мере часть потока текучей среды в обход, если, например, температура превышает пороговое значение. Перепускной контур 37, 38 может быть выполнен в виде однонаправленного контура, обозначенного индексом 37, или двунаправленного контура, обозначенного индексом 38. Данная система может дополнительно включать в себя все отличительные признаки варианта осуществления, изображенного на фиг. 4.
Система охлаждения, соответствующая настоящему изобретению, обеспечивает большую гибкость в отношении требований к охлаждению. Возможность создания системы охлаждения, обеспечивающей различную охлаждающую способность, в зависимости от требуемого охлаждения, является преимуществом, если иметь в виду, что температура образования гидратов и/или скорости потока могут изменяться в течение срока службы месторождения. Выбор охладителей, обладающих равной или различной охлаждающей способностью, последовательное соединение двух или более охладителей, обеспечение контура рециркуляции, который возвращает обратно по меньшей мере часть потока, если температура превышает установленный уровень на одном или более из указанных охладителей, обеспечение перепускного контура на одном или более охладителях, обеспечение перепускной линии в обход всех охладителей, если потребность в охлаждении отсутствует или параллельное соединение двух или более охладителей - все это обеспечивает большую гибкость с точки зрения охлаждения потока продукта из скважины.
Изобретение было раскрыто на примерах вариантов осуществления, не носящих ограничительного характера. Специалисту в данной области должно быть понятно, что в рамках идеи и объема настоящего изобретения, определяемых прилагаемой формулой изобретения, в указанные варианты осуществления могут быть внесены изменения и выполнена их модификация, при этом элементы или отличительные признаки различных вариантов осуществления можно комбинировать в любой конфигурации.