ПОДВОДНАЯ УСТАНОВКА И СПОСОБ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЖИДКОЙ ФРАКЦИИ И ГАЗОВОЙ ФРАКЦИИ
UNDERWATER PLANT AND METHOD FOR SEPARATION OF LIQUID FRACTION AND GAS FRACTION

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к подводным установкам, например, для разделения углеводородов, добываемых из подводных скважин. Изобретение также относится к способу разделения жидкой фракции и газовой фракции продукта подводной скважины за счет сил тяжести.
Уровень техники
Пластовые резервуары, из которых производится добыча углеводородов, можно грубо разделить на два типа.
1. Газоконденсатные пласты.
2. Нефтяные пласты.
Продукт скважины из газоконденсатного пласта главным образом содержит природный газ, но также может содержать и конденсаты (легкие углеводороды в жидкой фазе). Кроме того, продукт может содержать воду либо в виде конденсированной воды, которая находится в равновесии с газом при существующем давлении и температуре, либо в виде воды, вышедшей из пласта. Могут также присутствовать и химические соединения, добавляемые в устье скважины, для предотвращения коррозии и образования газовых гидратов.
Продукт нефтяной скважины главным образом содержит нефть, но обычно в нем присутствует и некоторая доля природного газа, которая может меняться. Кроме того, продукт скважины может содержать воду и добавляемые химические вещества, такие как ингибиторы коррозии, ингибиторы отложений и т.п.
Если скважина дает воду или конденсированную воду, то эта вода не является полезным продуктом скважины, и может быть источником проблем, таких как увеличение потерь давления, водяные пробки, коррозия, отложения, эмульсии и гидраты в системе транспортировки.
Когда добыча углеводородов производится из подводной скважины, то давление, существующее в пласте, используется для транспортировки смеси жидкой и газовой фракций из пласта к устью скважины, и через транспортирующий трубопровод к приемному терминалу или к плавучей нефтедобывающей установке.
Часть транспортирующей магистрали, которая проходит по дну моря, имеет естественную волнообразную форму, и жидкие составляющие продукта скважины будут собираться в самых низких ее точках, когда скорость движения добываемого продукта будет достаточно низкой. Когда жидкость скопится в достаточном количестве, может образоваться пробка, которая будет перемещаться за счет высокого давления и проталкиваться через систему трубопровода. Такая пробка представляет собой нежелательное явление в мультифазной транспортирующей системе, и может создавать проблемы в принимающей системе в виде резких изменений давления и опасности появления жидкости в тех частях принимающей системы, где это нежелательно. Там, где пробка достигает береговой установки, приходится возводить крупные механические конструкции (ловушки для конденсата) для демпфирования указанных колебаний давления и хранения поступающего объема жидкости. Недостаток такого решения в том, что оно требует очень большого места.
Когда добыча ведется на плавучую нефтедобывающую установку, особенно, когда установка находится в глубоководном районе моря, пробка будет вызывать напряжение в системе восходящего трубопровода, и, помимо этого, столб жидкости будет оказывать противодавление на пластовый резервуар, тем самым создавая резкие изменения давления и потока, с которыми на плавучей установке трудно справляться. Обычно с этой проблемой борются, вводя газ в нижнюю часть восходящего трубопровода, тем самым помогая поднять пробку по трубе вверх. Недостаток такого решения заключается в том, что из-за увеличенного трения потери давления в трубопроводе оказываются высокими.
Другое решение состоит в том, что на дне моря устанавливают один или несколько разделительных резервуаров, где газовая фракция отделяется от жидкой, при этом газ передается на поверхность по отдельным восходящим трубопроводам. Тогда жидкость приходится перекачивать под более высоким давлением. Недостатком такого решения является размер разделительного резервуара, который для хорошего разделения должен иметь большой диаметр. С учетом высокого наружного или внутреннего давления, резервуары необходимо выполнять толстостенными, что при современной технологии делает их изготовление затруднительным. Кроме того, разделительные резервуары часто имеют сложное внутреннее устройство, требующее обслуживания, что, в свою очередь, означает, что должна быть предусмотрена возможность их подъема на поверхность. Это дорогостоящая операция, требующая большого времени. С точки зрения конструкции это означает, что разделительные резервуары на дне моря должны состоять из нескольких механических конструкций, которые можно стыковать посредством дистанционно управляемой системы монтажа. Если такое устройство устанавливать в зоне ведения рыболовства, то должна быть предусмотрена возможность проведения траловых сетей над ней, что тем самым также увеличивает размер и вес оборудования.
Вместо разделительных резервуаров большого диаметра предложено конструктивно выполнять их в виде длинной трубы, уложенной на дне моря горизонтально или с небольшим уклоном. Примеры таких решений описаны, например, в патентах Норвегии 19994244 и 20015048. Недостаток данных решений в том, что их можно использовать только на газовых пластовых резервуарах, где содержание жидкой фракции небольшое.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение может быть использовано на резервуарах обоих типов, независимо от соотношения долей жидкой/газовой фракции, для отделения жидкой фракции от газовой и различных жидких фаз друг от друга перед их транспортированием по различным трубопроводам на берег или платформы. Настоящее изобретение может также быть использовано для обратного ввода скважинной или конденсированной воды в пластовый резервуар для поддержания давления в пласте.
За счет разделения жидкой и газовой фракций и введения раздельного транспортирования, можно увеличить степень извлечения продукта из пласта и устранить проблемы, связанные с системой транспортирования.
Согласно изобретению предлагается оборудование для размещения на дне моря, которое отличается простотой, может функционировать автономно и производить разделение жидкой и газовой фракций. Дополнительно может производиться разделение на углеводородную жидкую фазу и водную фазу, где воду можно вводить обратно в пласт или транспортировать отдельно.
Там, где продукт скважины поступает из газоконденсатного пласта, оборудование указанного вида может быть установлено в том месте, где температура продукта уже снизилась до температуры морского дна, и уже произошла конденсация всей воды из насыщенного пара. Жидкая фракция (конденсат, гликоль и конденсированная вода) может быть разделена и перекачана на берег по отдельным трубопроводам. Оставшийся газ течет на берег сам по себе. В результате в транспортирующей магистрали, которая идет на берег или платформу, собирается очень небольшое количество жидкости, и тем самым устраняется необходимость в больших ловушках для конденсата в точке приема.
Задачей настоящего изобретения является создание подводной установки, которая, применительно к насосу, будет действовать в качестве буферной системы, и/или, применительно к восстановлению нефтегазоносных скважин - в качестве системы разрушения потенциальных пробок, которые могут образовываться, и/или будет действовать в качестве разделителя, по меньшей мере, двух фаз продукции скважины, например, нефти-газа, нефти-газа-воды, нефти-воды. Вторая задача изобретения заключается в создании системы, отделяющей жидкую фракцию от газовой более эффективным способом за счет выравнивания потока перед его поступлением в часть системы, где осуществляется фактическое разделение. Это достигается за счет соединения впускного канала с коллектором, присоединенным, по меньше мере, к одной скважине, при этом указанный коллектор предназначен для удаления пробок из продукта скважины. Еще одна задача изобретения состоит в создании подводной системы, которая является рентабельной и может быть легко приспособлена к особым условиям, в которых ее предстоит использовать.
Указанные задачи решаются посредством подводной установки для обработки углеводородов, добываемых из подводной скважины, и способа, соответствующих прилагаемой формуле изобретения.
Предлагается подводная установка для работы с углеводородами, добываемыми из подводных скважин, содержащая систему трубопроводов, которая, в свою очередь, содержит первый коллектор, соединенный, по меньшей мере, с одной скважиной, и, по меньшей мере, две первых трубных ветви с впускным каналом, соединенным с указанным коллектором. Коллектор может иметь один или несколько впускных каналов от одной или нескольких скважин, при этом впускные каналы могут быть расположены в середине коллекторной трубы, могут быть сгруппированы, распределены по длине трубы или сосредоточены на концах трубы, но оптимально распределить их равномерно, так чтобы они отходили наружу от середины трубы. Впускной канал от скважины может быть расположен перпендикулярно продольной оси коллектора или может подходить под другим углом. Если в коллектор входят несколько впускных труб, то они могут подходить под одинаковыми или под разными углами. По меньшей мере, у двух первых трубных ветвей имеются впускные каналы, передающие текучую среду коллектора в указанные, по меньшей мере, две первые трубные ветви. Кроме того, первые трубные ветви содержат, по меньшей мере, два выпускных канала, при этом желательно, чтобы каждая из первых трубных ветвей содержала, по меньшей мере, два выпускных канала. Первый коллектор и первые трубные ветви расположены в первой плоскости. «Расположены в первой плоскости» означает, что продольная ось коллектора и продольные оси трубных ветвей лежат в общей плоскости. Один из выпускных каналов первых трубных ветвей ведет ко второму коллектору.
Согласно изобретению установка включает в себя второй из выпускных каналов первых трубных ветвей, который ведет, по меньшей мере, к двум вторым трубным ветвям, расположенным во второй плоскости. По меньшей мере, один из выпускных каналов первых трубных ветвей образует впускной канал вторых трубных ветвей. Вторые трубные ветви также содержат, по меньшей мере, один выпускной канал, ведущий к третьему коллектору.
Согласно одному из аспектов изобретения первая плоскость с первыми трубными ветвями и вторая плоскость со вторыми трубными ветвями могут быть, по существу, параллельны друг другу. Однако, также можно допустить, чтобы указанные плоскости были расположены под углом друг другу.
Согласно другому аспекту изобретения трубные ветви, по меньшей мере, в одной плоскости могут быть расположены так, чтобы их продольные оси были, по существу, параллельны друг другу.
Согласно еще одному аспекту изобретения, по меньшей мере, один из выпускных каналов вторых трубных ветвей образует впускной канал, по меньшей мере, для двух третьих трубных ветвей. Указанные третьи трубные ветви могут быть расположены в третьей плоскости, при этом, по меньшей мере, один из выпускных каналов третьей трубной ветви ведет к четвертому коллектору. Естественно, что, если требуется, установка может быть развита, и оснащена дополнительными каскадами трубных ветвей.
Согласно одному из аспектов изобретения, по меньшей мере, у одного из коллекторов продольная ось может быть, по существу, перпендикулярна продольным осям трубных ветвей.
Согласно другому аспекту изобретения, по меньшей мере, один из выпускных каналов первых трубных ветвей с продольной осью первых трубных ветвей может образовывать непрямой угол. Такой, ориентированный не под прямым углом выпускной канал также может выходить из плоскости первых трубных ветвей. Возможен вариант, когда все выпускные каналы первых трубных ветвей выходят из плоскости указанных первых трубных ветвей. Возможен вариант, когда один из выпускных каналов расположен перпендикулярно данной плоскости. Возможен другой вариант, когда один из выпускных каналов располагается в указанной плоскости и ведет к коллектору, который также расположен в данной плоскости.
Согласно еще одному аспекту изобретения первая плоскость может быть, по существу, горизонтальной плоскостью, при этом вторая плоскость по вертикали располагается ниже первой плоскости. «По существу, горизонтальная» означает, что плоскость может быть ориентирована под небольшим углом относительно горизонтальной плоскости. Возможен вариант, когда первая плоскость является, по существу, горизонтальной или слегка наклоненной, в то время как нижняя плоскость может быть наклонена под большим углом, нежели первая плоскость. С другой стороны, указанные плоскости могут быть, по существу, параллельными друг другу.
Согласно одному из аспектов изобретения первые трубные ветви представляют собой трубные разделители фракций, при этом первый выпускной канал является газовым выпускным каналом. Данный газовый выпускной канал может по восходящей подниматься из первой плоскости, или, как вариант, может быть расположен в той же плоскости. Второй выпускной канал первых трубных ветвей является жидкостным выпускным каналом, нисходящим ко вторым трубным ветвям. Возможен вариант, при котором вторые трубные ветви содержат выпускной канал в форме газового выпускного канала, ведущего ко второму коллектору или к первым трубным ветвям в точку, находящуюся по течению ниже жидкостного выпускного канала указанных трубных ветвей. Как вариант, третий коллектор может вести к первой насосной станции. Согласно изобретению подводная установка может содержать две или несколько плоскостей с трубными ветвями в зависимости от того, разделение каких фракций требуется: газовой от жидкой, двух жидких или газовых, нефти и воды друг от друга.
Изобретение также касается способа разделения жидкой и газовой фракций, а также разделения жидких фракций смеси углеводородов и воды. Способ содержит этапы, на которых вначале транспортируют продукт скважин к буферному накопителю водяной пробки, установленному на дне моря, затем транспортируют продукт скважин в систему гравитационного разделения, где производят разделение жидкой и газовой фракций путем распределения продукта скважин между заданным числом трубных ветвей в нескольких плоскостях, направляя газовую фракцию в одну плоскость, а жидкую фракцию - в одну или несколько вторых плоскостей, при этом жидкую и газовую фракции далее передают по их собственным отдельным транспортирующим системам. Буферный накопитель водяной пробки представляет собой такое устройство коллектора, при котором текучей среде предоставляется время нахождения в коллекторе, достаточное для рассасывания любых водяных пробок.
Согласно еще одному аспекту изобретения газовую фракцию пропускают через дополнительное устройство для удаления остаточной воды, которую не смогла удалить часть системы, выполняющая гравитационное разделение.
Согласно изобретению установка или система в предпочтительном варианте построена так, что ее части располагаются в нескольких плоскостях. Тем самым, отделенные жидкие фракции могут вытекать за счет сил тяжести. При этом конструкция также получается более компактной.
Кроме того, установка может быть построена так, чтобы была возможность разделения жидкой фракции на углеводородную и водную фазы. Водную фазу можно перекачивать на платформу, на берег или закачивать в подземный пласт.
Изобретение имеет ряд преимуществ: установку можно использовать для всех видов продукта скважин из любых типов пластовых резервуаров; установка рассчитывается для размещения в глубоководных и мелководных районах;
установка осуществляет гравитационное разделение и рассчитывается по нормативам на трубы, а не резервуары, что дает экономию стоимости и веса. Нормативы на трубы и нормативы на резервуары связаны со стандартами и правилами проектирования изделий, которые должны противостоять давлениям, при этом для одного и того же класса по давлению стандарты различны, например, требования к толщине стенок резервуаров гораздо жестче, чем для труб. Другое преимущество заключается в том, что трубную систему можно собрать из стандартных деталей, которые можно приобретать, в то время как резервуар необходимо проектировать и проводить его испытания в каждом отдельном случае. Кроме того, установка, соответствующая настоящему изобретению, может создаваться в сочетании с системой защиты от превышения давления (HIPPS, High Integrity Pressure Protection System); установка является самоподдерживающей при подъеме и монтаже, так как не требует отдельной конструкции для поддержания нагрузки от трубопроводов; установку можно размещать в районах тралового рыболовства, поскольку направляющие трубопроводов могут быть рассчитаны так, чтобы можно было осуществлять проводку трала над установкой.
Соответствующий изобретению способ включает в себя этапы, на которых транспортируют продукт скважин к комбинированной системе гравитационного разделения и буферного накопления водяной пробки с дополнительным устройством для разделения жидких фракций, установленной на дне моря, и производят разделение жидкой и газовой фракций путем распределения продукта скважин между заданным числом трубных ветвей в нескольких плоскостях. Газовую фракцию направляют в одну плоскость, а жидкую фракцию - в одну или несколько вторых плоскостей, при этом газовую фракции далее передают по отдельной транспортирующей системе. Жидкую фракцию нагнетают насосом и также передают по отдельной транспортирующей системе.
Краткое описание чертежей
Изобретение будет подробнее описано ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 схематически изображает вид сбоку установки, размещенной на дне моря;
фиг.2 представляет собой схематическое пространственное изображение установки, размещенной на дне моря.
Осуществление изобретения
На фиг.1 и 2 показан ряд сборных подводных трубопроводов 1. Каждый подводный трубопровод исходит из отдельной системы подводной добычи, которая может представлять собой скважину-спутник или группу скважин, соединенных трубной обвязкой (не показано). Например, на представленных чертежах показаны два подводных трубопровода. Число скважин, которые требуется присоединить к установке, определяется общей добычей и производительностью установки, и может изменяться от одной скважины до всех скважин месторождения.
Подводные трубопроводы подходят к собирающей трубе или коллектору 2. В предпочтительном варианте осуществления коллектор 2, как показано на фигурах, расположен перпендикулярно подводным трубопроводам, но также возможны и другие конфигурации, когда коллектор расположен под некоторым иным углом. Места присоединения подводных трубопроводов 1 размещены равномерно вдоль коллектора 2, так чтобы в коллекторе получить равномерное распределение продукта скважины.
Задача коллектора - ликвидировать или выровнять водяные пробки, присутствующие в продукте скважин. Коллектор 2 имеет внутренний диаметр и длину, которые должны соответствовать составу и величинам потоков рассматриваемых продуктов скважин, чтобы обеспечить возможность достаточного быстрого распределения приходящих пробок.
К коллектору 2 присоединен ряд трубных ветвей 3, в оптимальном варианте, расположенных с фиксированными интервалами. Трубные ветви 3, играющие роль разделительных труб, располагаются в плоскости самого коллектора 2, желательно перпендикулярно к последнему. Каждая разделительная трубная ветвь 3 содержит первый сегмент 6, проходящий горизонтально или с небольшим уклоном вниз, и второй сегмент 6', который следует наклонно вверх. Разделительные трубы предназначены для разделения газовой и жидкой фракций, когда последние протекают по указанным трубам, причем данные трубы имеют такой диаметр и такую длину, чтобы происходило эффективное разделение жидкой и газовой фракций. Это обеспечивается расчетом необходимого числа выпускных труб, их диаметра и длины сегмента 6, а также высоты и угла подъема сегмента 6'. Суммарная пропускная способность разделительных труб соответствует величине потока, притекающего из скважин.
К другому концу трубных ветвей 3 присоединен второй коллектор 7, и в оптимальном варианте расположен перпендикулярно указанным ветвям. Коллектор 7 собирает газовую фракцию из разделительных труб в единый поток, который направляется в газовый транспортирующий трубопровод 8, который образует газовую транспортную систему для передачи газа на плавучую платформу или на берег.
У каждой разделительной трубной ветви 3 имеется выпускной канал 4 для отделенной жидкой фракции. Выпускной канал 4 предназначен для приема жидкости, которая отделена в разделительной трубной ветви 3. Выпускные каналы 4 расположены на таком расстоянии от коллектора 2, чтобы совершалось разделение жидкой и газовой фракций. Это означает, что жидкая и газовая фракции протекают по трубе слоями, причем жидкая фракция идет нижним слоем. Выпускные каналы 4 выполнены в виде нисходящих под углом труб, которые переносят жидкую фракцию на более низкий уровень. Выпускные каналы (нисходящие трубы) 4 расположены так, чтобы большая часть жидкой фракции или вся жидкая фракция стекала вниз за счет силы тяжести. Число нисходящих труб и их расстояние от коллектора 2 поставлены в соответствие физическим характеристикам продукта скважины, чтобы оптимизировать эффективность разделения.
Если необходимо, то к трубным ветвям 3 могут быть присоединены дополнительные выпускные каналы 5, предназначенные для отвода дополнительной жидкости, отделение которой произошло после первого выпускного канала.
Каждый выпускной канал 4 и 5 соединен со второй трубной ветвью 9 - трубой 9 отвода жидкой фракции. Вторые трубные ветви 9 лежат во второй плоскости, которая для получения требуемого эффекта располагается ниже первой плоскости.
Трубы 9 отвода жидкой фракции выполнены достаточно большого размера для промежуточного накопления водяных пробок из трубопроводов, которые расположены на дне моря и подводят продукт из скважин к установке.
Трубы 9 отвода жидкой фракции присоединены к коллектору 12, который, в свою очередь, соединен с транспортирующим трубопроводом. На транспортирующем трубопроводе может быть установлен насос 14 для увеличения давления жидкости (если это требуется), прежде чем жидкость будет передана в отдельную систему транспортирования жидкости на берег или платформу.
Если продукт из скважин содержит твердые частицы (например, песок), такие частицы будут переноситься вместе с жидкостью, и их можно собирать устройством 13 удаления песка. В таком случае данное устройство будет располагаться перед насосом 14 жидкой фракции. При этом выпускной канал 5 может работать также в качестве трубы, улавливающей газ, который захвачен жидкостью, выходящей через выпускной канал 4, и теперь ниже по течению отделен от жидкой фазы и может быть передан в основной поток газа, в первую трубную ветвь 3 на участок после выпускного канала 4.
Во многих случаях продукт из скважин содержит некоторое количество воды. Если это так, то данная вода будет сопровождать жидкую фазу, отделение которой происходит в разделительных трубных ветвях 3. Если также необходимо отделить указанную воду от нефтяной фракции, то установку можно оснастить дополнительной трубной системой 18. В этом случае указанная система будет располагаться в третьей плоскости, которая находится ниже второй плоскости. Аналогично вышесказанному, каждая труба 9 отвода жидкой фракции может содержать выпускные каналы 10 и 11 в виде нисходящих труб, соответственно, для воды. Вода стекает по выпускному каналу (нисходящей трубе) 10 в третью систему трубных ветвей 20 для отвода воды, присоединенных к дополнительному коллектору 15. Как было описано ранее, число выпускных каналов и расстояние выпускных каналов от нисходящих труб 4 и 5 отвода жидкой фракции должно быть поставлено в соответствие физическим характеристикам продукта скважин, чтобы оптимизировать эффективность разделения.
Коллектор 15 для воды соединен с транспортирующим трубопроводом. В транспортирующем трубопроводе установлен насос 17 для перекачки воды на берег или ее закачивания в пласт под дно моря. Если продукт из скважин содержит твердые частицы (например, песок), такие частицы будут переноситься вместе с водной фракцией. В этом случае должно быть установлено устройство 16 удаления песка. Указанное устройство должно располагаться перед насосом 17 жидкой фракции.
Желательно, чтобы установка образовывала самонесущую конструкцию, способную выдерживать нагрузки, которым она подвергается во время подъема и установки на дне моря. Кроме того, трубы можно уложить таким образом, чтобы установка позволяла проводить над собой рыболовные тралы.
Хотя настоящее изобретение было описано на примерах предпочтительных вариантов, для специалистов в данной области будет понятно, что в форму и детали осуществления изобретения могут быть внесены изменения, не выходящие за границы идеи и объема изобретения, обозначенные в прилагаемой формуле изобретения.