ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ НАГРЕВАТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА Российский патент 1997 года по МПК H05B3/56 F16L53/00 

Изобретение относится к равномерной нагревательной системе сквозного электрического тока подводных гибких трубопроводов, основанного на эффекте Джоуля, то есть тепло производится посредством циркуляции электрического тока через металлическое броневое покрытие трубопровода, в котором посредством нагревания или поддержания текущей температуры сырой нефти возможно уменьшить падение давления в трубопроводе и увеличить период текучести, при этом, следовательно, больше нефти будет извлечено.

Одна из трудностей при добыче нефти из запасов, расположенных в глубоких водах, является низкая температура, которую сырая нефть приобретает, когда течет от источника к добывающей платформе. Эта низкая температура увеличивает вязкость нефти и впоследствии увеличивает падение давления в трубопроводе, уменьшая скорость потока и период текучести скважины. Главные факторы, которые дают свой вклад в эту неблагоприятную ситуацию, это низкая температура (ниже 10^oC) на морском дне, большая длина трубопровода от источников до платформы, и высокая естественная вязкость сырой нефти.

В нефтяных районах в открытом море добывающие скважины соединены или с добывающей платформой, или с подводным трубопроводом посредством нефтепроводов, проложенных на морском дне. Выбор системы добычи для использования и числа скважин зависит от различных параметров, таких, как размер и поведение района, метод восстановления, глубина воды и т.д. Скважины могут разрабатываться непосредственно через индивидуальные линии вплоть до платформы или сводиться к подводному производственному трубопроводу и оттуда к платформе через одиночную линию большего диаметра.

При добыче сырая нефть достигает скважного нагрева при температуре, которая является функцией, среди прочего, глубины зоны добычи (геометрического градиента) и скорости потока нефти (термических обменов путем проводимости и конвекции). Рассматривая легкие сырые нефти, в конфигурациях, упомянутых выше, отметим, что нефть течет легко вплоть до платформы добычи через подводный трубопровод без термической изоляции и без нагрева. Температура потока изменяется в зависимости от длины трубопровода и температуры воды по маршруту, что не замедляет поток благодаря высокой текучести указанной нефти.

Тяжелые или вязкие сырые нефти, однако, при протекании через обычные подводные трубопроводы становятся даже более вязкими, значительно увеличивая падение давления в нефтяном трубопроводе, и продукция иногда ухудшается.

Термическая изоляция подводных трубопроводов является уже используемой практикой и уже хорошо развита, но сама по себе в некоторых случаях она не решает проблемы протекания вязкой нефти, то есть термическая изоляция минимизирует проблему, но при наличии низких температур и длинных трубопроводов значительный термический обмен будет происходить, который увеличивает вязкость сырой нефти и падение давления в трубопроводе, уменьшая, следовательно, период текучести скважины.

Главными физико-химическими характеристиками нефти, с которыми имеет дело ее поток, являются точки разлива и вязкость, Хотя можно различить различные виды нефти, основанные на этих двух характеристиках, для определения необходимого для использования системы потока рекомендуется, чтобы тип каждого потока трактовался индивидуально, принимая во внимание особенности сырой нефти и местные условия. Чтобы минимизировать падение давления, которое происходит в потоке сырой нефти, существует три пути:
а) увеличение диаметра трубопровода с ограничением в диаметре трубопроводов для применения в глубокой воде,
b) увеличение гидростатического напора выкачивания: применимо только в местах, где легко устанавливать насосы, таких как, например, платформы, судна и т.д.

c) уменьшение вязкости жидкости: это могло бы быть достигнуто посредством нагревания (или поддержанием температуры) сырой нефти в трубопроводе.

Рассмотрим эту последнюю гипотезу, поскольку вязкость жидкости круто падает при увеличении температуры, соотношение является экспоненциальным, как показывает равенство Andrade
μ = A•e^(B/T) (1),
где μ вязкость;
A и B константы;
T температура;
e 2,718282.

Несмотря на стоимость производства гибких трубопроводов, которая выше чем у жестких трубопроводов, конструкторы систем передачи сырой нефти в глубоких водах отдали предпочтение использованию гибких трубопроводов. Сравнительная таблица помогает понять лучше это предпочтение для гибких трубопроводов.

Гибкие трубопроводы широко используются по всему миру. Существует несколько производителей, каждый из которых обеспечивает конструкцию, которая определяется конфигурацией устройств и материалами, которые используются. Эти гибкие трубопроводы в основном образованы чередующимися слоями стальных спиралей, вставленных в слои изолирующего материала, такого как, например, эластомер на полиамидной основе. Внутренний стальной слой замкнут, тогда как самый верхний слой образован перекрестной броней, чтобы обеспечить трубопровод более сильной конструктивной прочностью, этот весь ансамбль покрыт слоем полиамида.

Следовательно, целью изобретения является обеспечение однородной нагревательной системы для подводных (на дне моря) гибких трубопроводов через циркулирование электрического тока, который проходит по стальным армирующим покрытиям гибкого трубопровода, генерируя энергию и рассеивая определенное количество тепла в трубопроводе и в жидкости, содержащейся внутри него, поддерживая разность температур между окружающей средой и продуктопроводом, так чтобы не прервался поток жидкости.

Это изобретение относится к электрической нагревательной системе для подводных гибких трубопроводов, которая включает в себя наличие электрического блока, состоящего из управляемого выпрямительного блока, который является источником тока, электрического кабеля, расположенного параллельно с гибким трубопроводом для обратного тока, и двух терминальных соединителей, которые электрически изолируют двойное усиленное пересекающееся армирование, причем электрической ток проводится силовым армированием и возвращается электрическим кабелем, располагаемым вне гибкого трубопровода.

Кроме того, в соответствии с изобретением электрическая нагревательная система для подводных гибких трубопроводов включает в себя наличие электрического блока, состоящего из управляемого выпрямительного блока, который является источником тока, электрического кабеля для возврата тока, имеющегося в их оконечности, заземленной на дне моря, электрода (анода) и двух терминальных соединителей, причем возврат тока как в случае проведения его силовым армированием, так и внутренним остовом, выполняется через электрод, установленный на морском дне и соединенный с платформой.

На фиг.1 изображен вид в перспективе, показывающий структуру уже известного гибкого трубопровода, который имеет ограничение по глубинам установки в воде около 600 м; на фиг.2 вид в перспективе, показывающий структуру уже известного гибкого трубопровода для использования при глубинах воды более чем приблизительно 600 м; на фиг.3 диаграмма, показывающая изменение глубины использования (м) в зависимости от диаметра трубопровода (дюймы), ограничение в диаметре трубопровода, существующее для применения в глубоких водах; на фиг.4 диаграмма, служащая для демонстрации примера изменения вязкости (C_p) в зависимости от температуры для некоторых видов сырой нефти Кампус Базин, Рио-де-Жанейро, Бразилия; на фиг.5 - иллюстративный вид электрической нагревательной системы для подводных гибких трубопроводов с электрическим кабелем для возврата тока, расположенным параллельно с гибким трубопроводом; на фиг. 6 вид в разрезе гибкого трубопровода и соединителя системы, показанной на фиг. 5; на фиг.7 11 виды в разрезе, показывающие другие варианты изоляции и электрических соединений слоев гибких трубопроводов в соответствии с изобретением; на фиг.12 - иллюстративный вид электрической нагревательной системы для подводных гибких трубопроводов с электрическим кабелем для возврата тока, имеющим электрод в его оконечности; на фиг.13 иллюстративный вид электрической цепи, которая является чисто резистивной с источником постоянного тока.

Как можно видеть из фиг.1 и 2, гибкие трубопроводы 1, используемые в добывающих системах в случае установок, ограниченных глубинами воды около 600 м, в основном образованы концентрическими слоями, имеющими спиральный каркас из нержавеющей стали 3, полиамидный слой 5, двойной слой пересекающихся армирований 7 и внешний полиамидный слой 9. Для водных глубин, превышающих приблизительно 600 м, гибкий трубопровод 1 принимает усиление из спирального каркаса из Zeta провода 11 между полиамидным слоем 5 и двойным слоем пересекающихся армирований 7, как показано на фиг.2.

Возвращаясь к равенству (1) и делая анализ вместе с фиг.4, который приводит пример изменения вязкости (μ) жидкости в зависимости от температуры, можно отметить, что чем больше вязкость сырой нефти, тем больше будет уменьшение ее вязкости для данного температурного увеличения. Температуру жидкости в потоке необходимо тщательно исследовать, поскольку в определенных ситуациях более экономично нагреть жидкость, чем увеличивать гидростатический напор выкачивания.

Равенство (1) показывает, что в ламинарном потоке падение давления в трубопроводе прямо пропорционально вязкости жидкости.

где H падение давления;
f фактор трения;
L длина трубопровода;
V вязкость жидкости;
D диаметр трубопровода;
g гравитационное ускорение;
μ вязкость жидкости.

Анализируя диаграмму фиг.4 и равенство (2), можно видеть, что при увеличении температуры данного потока в 20^oC в зависимости от начальной температуры и вида сырой нефти может произойти уменьшение падения давления на 50-70% и чем ниже начальная температура сырой нефти и чем выше ее вязкость, тем больше будет уменьшение падения давления.

Основываясь на предыдущих данных, согласно изобретению, предложена электрическая нагревательная система для подводных гибких трубопроводов, базирующаяся на эффекте Джоуля, т.е. тепло вырабатывается посредством циркуляции электрического тока через металлическое армирование гибкого трубопровода, система включает в себя, как можно видеть из фиг.5, наличие гибкого трубопровода 13, который проходит от платформы 15 до мокрой рождественской елки 17, расположенной на морском дне 19, управляемого выпрямительного блока 21, который является источником тока, электрического кабеля 23, помещенного параллельно гибкому трубопроводу 13 с помощью скоб 25, и двух терминальных соединителей 27, которые электрически изолируют металлическое армирование.

Как можно видеть из фиг.6, гибкий трубопровод 13 состоит в основном из внешнего полиамидного слоя 29, двойного усиленного перекрестного армирования 31, полиамидного слоя 33 и внутреннего каркаса из нержавеющей стали 35, причем гибкий трубопровод 13 соединен наверху соединителем 27, предусмотренным наверху, с адаптером 37, внутри с электрическим изолятором 39 и опорой 41, указанное двойное перекрестное армирование гибкого трубопровода 13, свернутое и схваченное скобой 43, соединено внутри соединителя 27 с внутренней стороны с электрическим изолятором 39 при его оконечности, закрепленной на опоре 41, с наличием также изолирующего заполнителя 45 внутри соединителя 27, причем электрический ток начинается от управляемого выпрямительного блока 21, идет через двойное перекрестное усиленное армирование 31 (силовое армирование) и возвращается по электрическому кабелю 23, установленному снаружи прикрепленным к гибкому трубопроводу 13.

В соответствии с этим изобретением разработаны и другие варианты изоляции и электрических соединений слоев гибких трубопроводов. На фиг.7 полиамидный слой 33 заменен электрическим изолирующим слоем 47, причем электрический ток проводится через двойное усиленное перекрестное армирование 31 и возвращается через остов, обходясь в этом случае без использования электрического кабеля 23, что дает большую экономию материала и более легкое обращение и установку линии без какого-либо кабеля, присоединенного к ней, причем двойное усиленное перекрестное армирование 31 и замкнутый остов из нержавеющей стали 35 изолированы в линии и от соединителя 27 и электрически соединены посредством кабеля 49.

На фиг.8 циркуляция электрического тока выполняется через замкнутый остов из нержавеющей стали 35 с возвратом через электрический кабель, прикрепленный снаружи к гибкому трубопроводу 13, этот вариант дает преимущество концентрации выработки тепла ближе к внутренней части гибкого трубопровода, причем двойное усиленное перекрестное армирование 31 и замкнутый остов из нержавеющей стали 35 изолированы друг от друга и от соединителя 27, при соединении электрического кабеля 51 с замкнутым остовом из нержавеющей стали 35.

Система нагрева через внутренний замкнутый остов дает в качестве преимущества, в дополнение к большей близости между источником тепла и внутренней частью гибкого трубопровода, другую важную возможность. Имеется случай линий, в которых имеются парафиновые образования, создающие препятствия, которые нужно удалять. В этом случае можно вдувать сжатый воздух, чтобы открыть путь вдоль препятствующего материала, и после этого можно впускать воду, чтобы заполнить пространства, открытые вдуванием сжатого воздуха. Следовательно, ток может проходить также через жидкость, которая будет в электрическом контакте с внутренним замкнутым остовом.

Кроме того, как видно из фиг.9, 10, 11 соответственно, двойное усиленное перекрестное армирование 31 может быть изолировано от замкнутого остова из нержавеющей стали 35 и от соединителя 27, с электрическим соединением между замкнутым остовом из нержавеющей стали 35 и соединителем 27, причем двойное усиленное перекрестное армирование 31 и замкнутый остов из нержавеющей стали 35 могут быть изолированы в линии и электрически соединены посредством соединителя 27 или иначе двойное усиленное перекрестное армирование 31 и замкнутый остов из нержавеющей стали могут быть изолированы друг от друга, двойное усиленное перекрестное армирование 31 соединено с соединителем 27, а замкнутый остов из нержавеющей стали изолирован от соединителя 27.

Электрическая нагревательная система подводных гибких трубопроводов, как видно из фиг. 12, включает в себя также в других вариантах осуществления изобретения наличие электрического кабеля 53, представленного в его нижней оконечности, заземленной на морском дне 19, электродом (анодом) 55, причем возврат электрического тока как в случае проводимости через двойное усиленное перекрестное армирование 31, так и через замкнутый остов из нержавеющей стали 35 выполняется через электрод 55, установленный на морском дне 19 и соединенный с платформой 15, и эта система может оказаться интересной в случае нескольких сателлитных скважин с продуктопроводами, использующими нагрев посредством электрического тока, поскольку это делает возможным обеспечить возврат, общий для всех из них. Вдобавок, это может упростить деталировку линейных сборок, поскольку дело обходится без их изоляции, то есть проводящий остов, электрически соединенный со сборкой, будет замыкать цепь с электродом через морскую воду. Эта система может, очевидно, даже обеспечить катодную защиту элементов, соединенных со сборками (WCT мокрая рождественская елка и сами металлические слои гибкой линии).

По отношению к электрическому току системы могут работать или на постоянном, или на переменном токе в соответствии с особыми удобствами для каждого типа альтернативы. Использование постоянного тока, однако, более показательно для нагрева, поскольку прямой ток вырабатывает больше тепла на один и тот же пик напряжения в переменном токе, постоянный ток требует меньше изолирующего материала и превращает цепь в чисто резистивную, без емкостных и индуктивных реактивностей, следовательно, уменьшая импеданс.

Как можно видеть из электрической схемы, представленной на фиг.13,
где Y_cc напряжение поданного постоянного тока;
R_d электрическое сопротивление гибкого трубопровода;
R_c электрическое сопротивление кабеля для возврата тока;
I циркулирующий электрический ток,
электрическая цепь является чисто резистивный с источником постоянного тока.

Отношение R_c/R_d должно быть как можно ниже, поскольку нагрев, производимый в трубопроводе и в кабеле, будет пропорционален их электрическому сопротивлению. Таким образом, при выборе размеров электрического кабеля необходимо иметь это ввиду, чтобы обеспечить высокую эффективность нагрева.

Температурный контроль сырой нефти выполняется температурным датчиком 59, установленным на приемном трубопроводе сырой нефти после OCDC 57. Этот датчик посылает сигнал на выпрямитель 21, который будет контролировать ток через кабель. Так достигается непрерывная регулировка температуры потока жидкости.

Электрическая нагревательная система для подводных гибких трубопроводов в соответствии с этим изобретением является чрезвычайно простой и полностью находится в сфере национальной технологии. Инвестиции, требуемые для ее получения являются относительно малыми, и в основном зависят от величины нагрева, который должен быть получен, которая, в свою очередь, должна быть минимизирована как функция термической изоляции трубопровода.

В качестве преимуществ, предоставляемых нагревательной системой, целью этого изобретения можно назвать среди других автоматическое управление температурой сырой нефти, легкое изменение регулируемой температуры, увеличение производства нефти, когда падение давления в пропускающем поток трубопроводе является ограничивающим фактором, увеличенная добыча нефти месторождений, уменьшение или ликвидации наростов на внутренней поверхности трубопровода из-за прилипания парафиновых веществ.

Необходимо указать, что предложенная система не ориентирована только на поток сырой нефти, но может быть применена также к газовым трубопроводам, таким образом достигая уменьшения или устранения образования гидрата, так же как уменьшения или устранения требований чистки скребками или болванками.

Сущность изобретения: изобретение относится к электрической нагревательной системе для подводных гибких трубопроводов, включающей в себя циркуляцию электрического тока, который идет через металлические армирования гибкого трубопровода, вырабатывая энергию и рассеивая определенное количество тепла в трубопроводе и текучей среде, содержащейся в нем, поддерживая разность температур между окружающей средой и продуктопроводом такой, чтобы не прерывать поток текучей среды. 2 з.п. ф-лы, 13 ил., 1 табл.

1. Электрическая нагревательная система подводных гибких трубопроводов, выполненных из расположенных последовательно внешнего полиамидного слоя, перекрестной двуслойной брони, полиамидного слоя и каркаса из нержавеющей стали, отличающаяся тем, что она содержит средство для циркуляции электрического тока через броню, выполненное в виде блока управляемого выпрямителя электрического тока и электрического кабеля, закрепленного на гибком трубопроводе, расположенных у противоположных концевых участков гибкого трубопровода соединителя для электрического соединения одного конца брони и электрического кабеля с блоком управляемого выпрямителя, причем противоположные концы трубопровода и кабеля соединены так, что ток циркулирует по трубопроводу и кабелю. 2. Система по п.1, отличающаяся тем, что на одном из концевых участков гибкого трубопровода установлены адаптер, соединитель с опорой и изолятором, а указанный конец брони расположен внутри изолятора, свернут посредством скобы и соединен с электрическим кабелем, обеспечивая циркуляцию тока по трубопроводу и кабелю. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что при передаче по трубопроводу нефти она содержит датчик температуры, установленный в трубопроводе со стороны приема нефти для контроля температуры сырой нефти и соединенный с блоком управляемого выпрямителя для управления величиной электрического тока, циркулирующего через кабель.