УПРАВЛЕНИЕ РАСПОЛОЖЕННЫМ ПОД ВОДОЙ ЦИКЛОНОМ Российский патент 2015 года по МПК E21B43/36 B04C11/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к циклонам. В частности, изобретение относится к управлению расположенными под водой циклонами, предназначенными для отделения нефти из смешанного потока, состоящего из нефти и воды.

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Циклонные сепараторы относятся к хорошо известному оборудованию, принцип работы которого помимо гравитации основан на вихревых эффектах, обеспечивая разделение текучих сред и/или твердых частиц. Циклоны, предназначенные для разделения жидкостей, часто называют гидроциклонами. Гидроциклоны имеют один вход и два выхода, один из которых предназначен для выпуска более тяжелой фазы в нижнее сливное отверстие конической секции, а второй выход предназначен для выпуска более легкой фазы на противоположном конце гидроциклона, в конце, как правило, цилиндрической секции. Гидроциклоны, применяемые для отделения нефти из потока, содержащего преимущественно воду, можно назвать гидроциклонами обратного типа, поскольку более легкая нефтяная фаза удаляется из более тяжелой водной фазы. Предмет изобретения относится не к циклонам, как таковым, а к управлению циклонами, поэтому более подробное описание циклонов не приведено.

Как правило, управление циклонами основано на моделях эффекта сепарации и его влияния на такие параметры, как давление и расход потока. Для циклонов, работающих в промышленных помещениях и на морских буровых платформах, можно выполнить отбор проб или измерения потока для того, чтобы убедиться, что управление эксплуатацией циклона происходит должным образом. Трудно обеспечить управление работой циклонов, расположенных под водой, иногда на глубине, составляющей несколько сотен метров, и в десятках или сотнях километров от земли или надводных установок. Для подводных циклонов, обеспечивающих отделение нефти от воды, воду можно закачивать в резервуар, а нефть транспортировать вместе с нефтью, полученной в результате работы предшествующего сепарационного оборудования. Обводненная нефть должна быть впоследствии обработана, что требует определенных затрат, и в то же время нефтесодержащая вода может привести к проблемам в резервуаре, а закачка нефтесодержащей воды означает, что некоторое количество ценной нефти снова попадет в резервуар после ее добычи.

Как правило, содержание нефти в закачиваемой воде должно составлять 100 промилле или менее. Чрезмерное количество нефти в закачиваемой воде может привести к нарушению приемистости нагнетательной скважины из-за закупоривания пор в породе скважины. От данного эффекта нередко можно избавиться, а именно поры можно промыть струей путем впрыскивания очищенной воды, и приемистость скважины восстановится. Повреждение могут нанести диспергированные капли жидкости, то есть растворенные углеводороды оказывают незначительное влияние на приемистость или не влияют на нее.

Аналогичным образом, чрезмерное содержание твердых частиц в закачиваемой воде может привести к нарушению приемистости нагнетательной скважины из-за закупоривания пор в породе скважины. Однако данное нарушение в работе скважины чаще всего является необратимым, и для восстановления приемистости могут потребоваться дорогостоящие внутрискважинные ремонтные работы.

Таким образом, желательно иметь возможность одновременного измерения количества капель жидкости и твердых частиц.

В настоящее время не существует серийно выпускаемой контрольно-измерительной аппаратуры, предназначенной для измерения небольших количеств нефтяного содержимого и небольших количеств твердых частиц в трубопроводе, обеспечивающем выпуск воды из расположенного под водой циклона. Отбор проб посредством ROV (дистанционно управляемого аппарата), управляемого с надводного судна, является способом оценки эксплуатации путем фактической проверки. Существует потребность в системе и способе управления расположенным под водой циклоном, предназначенным для отделения нефти от воды, которые обеспечивали бы более точное управление и верификацию сепарационного эффекта. Кроме того, также востребована возможность измерения и уменьшения содержания твердых частиц.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение решает указанную потребность путем создания системы управления расположенным под водой циклоном, предназначенным для отделения нефти от воды. Циклон расположен с возможностью приема воды вместе с нефтяной составляющей по впускному трубопроводу, нефть отделяется от воды и подается через отверстие для выпуска нефти в выпускной нефтепровод, а вода подается через отверстие для выпуска воды в выпускной водопровод. Система содержит регулирующий клапан, установленный в отверстии для выпуска нефти или выпускном нефтепроводе на выходе из циклона, первый измерительный преобразователь перепада давления, расположенный между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска нефти из циклона, и второй измерительный преобразователь перепада давления, расположенный между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска воды из циклона. Система отличается тем, что в отверстии для выпуска воды или выпускном водопроводе расположен датчик, предназначенный для измерения содержания нефти и функционально соединенный с регулирующим клапаном при помощи средств управления.

Предпочтительно, регулирующий клапан выполнен с возможностью работы в соответствии с заданным значением отношения между первым и вторым перепадами давлениями, причем данная уставка и степень открытия регулирующего клапана могут регулироваться в ответ на изменение содержания нефти в водной составляющей, которое измеряют при помощи датчика.

Предпочтительно, датчик представляет собой оптический датчик, использующий систему фоновой подсветки, описанный и изображенный в параллельной патентной заявке NO 2009 3598, на которую сделана ссылка для уточнения информации. В частности, это датчик оптического типа, который имеет объектив и камеру, расположенную между световыми источниками, установленными снаружи окна, выполненного в стенке трубы, переносящей измеряемый поток, либо в самом окне. В альтернативном варианте датчик соответствует представленному в патентном документе ЕР 1159599. Согласно одному варианту выполнения датчик представляет собой водонефтяной датчик, в более предпочтительном варианте выполнения датчик способен определять содержание нефти, а также твердых частиц (если таковые имеются) в выпускном потоке воды, что является предпочтительным, поскольку обеспечивает превентивные меры по предупреждению закачки твердых частиц, которые могут закупорить резервуар. В частности, чтобы улучшить эффект отделения песка при его обнаружении в воде, поступающей из циклона или иного сепарационного оборудования, расположенное выше по течению оборудование по сепарации песка типа пескоотстойников или пескоотделителей включают на более интенсивный режим либо промывают обратным потоком. В дополнение к указанному или в качестве альтернативы песок, содержащий воду, можно спустить по сливу, расположенному перед насосом для закачки воды, предпочтительно после открытия регулирующего клапана, расположенного в отверстии для выпуска нефти из циклона, чтобы иметь более чистую воду на выпуске ее из циклона, предпочтительно достаточно чистую, чтобы можно было выполнить ее сброс, не нарушая никакие регламенты. Необработанную или отфильтрованную морскую воду можно впрыскивать до тех пор, пока не удостоверятся в том, что вода в выпускном трубопроводе циклона стала достаточно чистой, чтобы обеспечить безопасное впрыскивание, что подтверждается работой датчика.

Кроме того, согласно изобретению предложен способ управления расположенным под водой циклоном, предназначенным для отделения нефти от воды. Циклон располагают с возможностью приема воды с возможным содержанием нефти по впускному трубопроводу, нефть отделяют от воды и подают через отверстие для выпуска нефти в выпускной нефтепровод, а воду подают через отверстие для выпуска воды в выпускной водопровод, в отверстии для выпуска нефти или выпускном нефтепроводе на выходе из циклона устанавливают регулирующий клапан, между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска нефти из циклона располагают первый измерительный преобразователь перепада давления, а между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска воды из циклона располагают второй измерительный преобразователь перепада давления. Способ отличается тем, что в отверстии для выпуска воды или выпускном водопроводе располагают датчик, предназначенный для измерения содержания нефти, при этом регулирующий клапан работает в соответствии с заданным значением отношения между первым и вторым перепадами давления, причем данную уставку и степень открытия регулирующего клапана регулируют в ответ на изменение содержания нефти в водной составляющей, которое измеряют при помощи датчика.

Предпочтительно, ПИД-контроллер поддерживает отношение между первым и вторым перепадами давления на постоянном уровне путем управления регулирующим клапаном, установленным в отверстии для выпуска нефти или выпускном нефтепроводе. Если содержание нефти в воде, измеренное датчиком, превышает предельно допустимое значение, отношение перепада давлений предпочтительно увеличивают, в результате чего регулирующий клапан открывается в большей степени, и из воды отделяют больше нефти.

Помимо прочего, согласно изобретению предложено применение фонового датчика для измерения по меньшей мере одного из параметров: содержания нефти или содержания твердых частиц в потоке воды, протекающей по трубе в расположенное под водой сепарационное оборудование или из него. Предпочтительно, фоновый датчик имеет объектив и камеру, расположенную между или в окружении световых источников, например, снаружи либо в самом окне, выполненном в стенке трубы, ведущей в расположенное под водой сепарационное оборудование или из него, такое как расположенный под водой гидроциклон, для измерения по меньшей мере одного из параметров: содержания нефти и содержания твердых частиц в потоке воды, для получения полезной информации для управления расположенным под водой сепарационным оборудованием.

ЧЕРТЕЖИ

Изобретение проиллюстрировано одним чертежом, а именно:

Фиг.1 изображает вариант выполнения предложенной системы.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 изображена предложенная система и несколько примыкающих к ней частей. Показана система 1 управления расположенным под водой циклоном 2, предназначенным для отделения нефти от воды. Циклон 2 расположен с возможностью приема воды, содержащей нефть, по впускному трубопроводу 3, нефть отделяется от воды и подается через отверстие 4 для выпуска нефти в выпускной нефтепровод 5, а вода подается через отверстие 6 для выпуска воды в выпускной водопровод 7. Система содержит регулирующий клапан 8, установленный в отверстии для выпуска нефти или выпускном нефтепроводе на выходе из циклона, первый измерительный преобразователь 9 перепада давления, расположенный между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска нефти из циклона, второй измерительный преобразователь 10 перепада давления, расположенный между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска воды из циклона, и датчик 11 для измерения содержания нефти, расположенный в отверстии для выпуска воды или выпускном водопроводе, причем указанный датчик при помощи средств PID3 управления функционально соединен с регулирующим клапаном 8 через контроллер PID2. Кроме того, указанные измерительные преобразователи перепадов давлений или отношения между ними (DIV) функционально соединены с регулирующим клапаном 8 посредством контроллера PID2. Соответственно, перепад давления между впуском и отверстием для выпуска нефти измеряют посредством датчика DPT1, перепад давления между впуском и отверстием для выпуска воды измеряют посредством датчика DPT2. Вычислительный элемент DIV обеспечивает расчет отношения между указанными двумя сигналами и его передачу в качестве «результата измерения» в Пропорционально-Интегрально-Дифференциальный (ПИД) контроллер PID2.

До тех пор, пока свойства нефтяной текучей среды сохраняются, распределение капель по размеру остается постоянным, и концентрация нефти на впуске в циклон тоже остается постоянной, при этом поддерживание отношения перепадов давления DP1 и DP2 на постоянном уровне обеспечивает заданное разделение впускного потока между двумя выпускными отверстиями. Если скорость насоса 14 меняется в ответ на изменение уровня в сепараторе 12, регулирующий клапан 8 будет изменять свое положение таким образом, чтобы соотношения потоков, выпускаемых из циклона, были постоянными.

Если распределение капель по размерам изменяется таким образом, что средний размер капель уменьшается, то эффективность сепарации циклона тоже уменьшается. Капли половинного размера отделяются при скорости, уменьшенной примерно в 8 раз. Таким образом, наличие более мелких капель на входе в циклон приведет к увеличению количества нефти в отверстии для выпуска воды. Это будет обнаружено датчиком 11, определяющим содержание нефти, и посредством контроллера PID3 будет отрегулирована уставка отношений для контроллера PID2, так что посредством регулирующего клапана 8 через отверстие для выпуска нефти будет передано увеличенное относительное количество поступающей текучей среды. Это приведет к уменьшению содержания нефти в отверстии для выпуска воды за счет увеличения содержания воды в отверстии для выпуска нефти. Уставка для контроллера PID3 представляет собой заданную концентрацию нефти в отверстии для выпуска воды.

Если распределение капель по размеру изменяется таким образом, что средний размер капель увеличивается, то эффективность сепарации циклона тоже повышается. Капли двойного размера отделяются при скорости, увеличенной примерно в 8 раз. Таким образом, наличие более крупных капель, поступающих в циклон, приведет к уменьшению количества нефти в отверстии для выпуска воды. Это будет обнаружено датчиком 11, определяющим содержание нефти, и посредством контроллера PID3 будет отрегулирована уставка отношений для контроллера PID2, так что посредством регулирующего клапана 8 через отверстие для выпуска будет передаваться меньшее относительное количество поступающей текучей среды. Это приведет к увеличению содержания нефти в отверстии для выпуска воды, при этом уменьшая содержание воды в отверстии для выпуска нефти.

Таким образом, задачей контроллера PID3 является сохранение определенного уровня содержания нефти в отверстии для выпуска воды, тем самым минимизируя при этом содержание воды в отверстии для выпуска нефти из циклона.

Как правило, перед циклоном расположен сепаратор 12, который изображен на Фиг.1, например, отделяющий воду от нефти. Уровень поверхности раздела нефть/вода регистрирует датчик LT уровня, изображенный на Фиг.1, и данный сигнал уровня посылается в контроллер PID1 уровня. Контроллер PID1 имеет уставку для заданного уровня поверхности раздела и может обеспечивать регулирование скорости насоса 14 для закачки воды, тоже изображенного на Фиг.1, так что уровень регулируется в пределах данной уставки. Следовательно, повышение уровня поверхности раздела в сепараторе, которое передается преобразователем LT сигнала уровня, приводит к увеличению скорости насоса, и наоборот.

Управление разделением потока или эффектом сепарации циклона обеспечивается регулирующим клапаном 8, причем контроллер PID2 поддерживает отношение между первым перепадом давления 9 (DP1) и вторым перепадом давления 10 (DP2), представленное условным обозначением DIV на Фиг.1. Следовательно, впускной поток делится в определенном соотношении между двумя выпускными отверстиями. Однако уставка разделения потока для контроллера PID2 рассчитывается и регулируется в пределах допустимого диапазона посредством контроллера PID3, при этом указанный диапазон соответствует допустимому диапазону рабочих режимов циклона. В частности, если содержание нефти в отверстии для выпуска воды увеличивается, что подтверждено замерами датчика 11, контроллер PID3 будет регулировать уставку разделения потока таким образом, чтобы большее количество текучей среды посылалось в отверстие для выпуска нефти, то есть регулирующий клапан немного приоткрывается. Если содержание нефти в воде уменьшается, что подтверждено замерами датчика, контроллер PID3 будет регулировать уставку разделения потока таким образом, чтобы меньшее количество текучей среды передавалось в отверстие для выпуска нефти, то есть регулирующий клапан отчасти перекрывается. Если изменяется состав впускного потока, уставка и, таким образом, эффект от сепарации циклона будут регулироваться соответствующим образом, для того чтобы обеспечить подходящий состав выпускных потоков из циклона.

Кроме того, изобретение включает систему управления расположенным под водой сепарационным оборудованием, предназначенным для отделения воды от других текучих сред, таких как нефть и газ, при этом оборудование расположено с возможностью приема текучей среды вместе с водной составляющей по впускному трубопроводу, вода отделяется от других текучих сред и подается через отверстие для выпуска воды в выпускной водопровод, а другие текучие среды подаются через по меньшей мере одно отверстие для выпуска текучей среды по меньшей мере в один дополнительный трубопровод для выпуска текучей среды, причем система содержит по меньшей мере одно устройство управления, предназначенное для управления эффектом сепарации воды, и отличается тем, что в отверстии для выпуска воды или выпускном водопроводе установлен датчик, предназначенный для измерения содержания нефти, а предпочтительно также содержания твердых частиц, и функционально соединенный с устройством управления, посредством средства управления. Данная система включает любые расположенные под водой сепарационные модули, оборудование или наполнение, применительно к которому посредством датчика можно убедиться в том, что сепарация воды осуществляется должным образом. Кроме того, показания датчика могут подтвердить, что сепарированная вода является достаточно чистой для слива или впрыскивания. Другие текучие среды можно, к примеру, транспортировать далее по нефтепроводам, газопроводам или трубопроводам для передачи многофазных текучих сред либо подвергнуть дополнительной обработке.

Помимо прочего, изобретение включает способ управления расположенным под водой сепарационным оборудованием, предназначенным для отделения воды от других текучих сред, таких как нефть и газ, при этом оборудование располагают с возможностью приема текучей среды вместе с водной составляющей по впускному трубопроводу, воду отделяют от других текучих сред и подают через отверстие для выпуска воды в выпускной водопровод, а другие текучие среды подают через по меньшей мере одно отверстие для выпуска текучей среды по меньшей мере в один дополнительный трубопровод для выпуска текучей среды, причем система содержит по меньшей мере одно устройство управления, предназначенное для управления эффектом сепарации воды, и способ отличается тем, что в отверстии для выпуска воды или выпускном водопроводе устанавливают датчик, предназначенный для измерения содержания нефти, а предпочтительно также содержания твердых частиц, и функционально соединяют его с устройством управления, причем входной сигнал от датчика используют для управления эффектом сепарации и для верификации содержания других текучих сред, а предпочтительно также содержания твердых частиц, в сепарированной воде. Данный способ целесообразно применять для любых расположенных под водой сепарационных модулей, оборудования или наполнения, применительно к которому посредством датчика можно убедиться в том, что сепарация воды осуществляется должным образом. Кроме того, показания датчика могут подтвердить, что сепарированная вода является достаточно чистой для слива или впрыскивания. Другие текучие среды можно, к примеру, транспортировать далее по нефтепроводам, газопроводам или трубопроводам для передачи многофазных текучих сред либо подвергнуть дополнительной обработке.

Кроме того, изобретение включает систему и способ, согласно которым датчик расположен в отверстии для выпуска газа из расположенного под водой сепарационного оборудования, причем датчик функционально соединен со средствами управления эффектом сепарации и, тем самым, датчик применяют для управления и верификации эффекта сепарации.

Системы согласно изобретению можно объединять с признаками изобретения, описанными или изображенными в данном документе, в любой рабочей комбинации, при этом указанные сочетания представляют собой варианты выполнения данного изобретения. Способы согласно изобретению можно объединять с признаками, описанными или изображенными в данном документе, в любой рабочей комбинации, при этом указанные сочетания представляют собой варианты выполнения данного изобретения.

Предложены система и способ управления расположенным под водой циклоном, предназначенным для отделения нефти от воды. Циклон расположен с возможностью приема воды вместе с нефтяной составляющей по впускному трубопроводу, нефть отделяется от воды и подается через отверстие для выпуска нефти в выпускной нефтепровод, а вода подается через отверстие для выпуска воды в выпускной водопровод. Система содержит регулирующий клапан, установленный в отверстии для выпуска нефти или выпускном нефтепроводе на выходе из циклона, первый измерительный преобразователь перепада давления, расположенный между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска нефти из циклона, и второй измерительный преобразователь перепада давления, расположенный между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска воды из циклона. При этом в отверстии для выпуска воды или выпускном водопроводе расположен датчик, предназначенный для измерения содержания нефти и функционально соединенный с регулирующим клапаном средствами управления. Кроме того, регулирующий клапан выполнен с возможностью работы в соответствии с заданным значением отношения между первым и вторым перепадами давления, причем данная уставка и степень открытия регулирующего клапана могут регулироваться в ответ на изменение содержания нефти в воде, которое измеряется указанным датчиком. Предложенная группа изобретений обеспечивает более точное управление и верификацию сепарационного эффекта. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Система управления расположенным под водой циклоном, предназначенным для отделения нефти от воды и расположенным с возможностью приема воды вместе с нефтяной составляющей по впускному трубопроводу, при этом нефть отделяется от воды и подается через отверстие для выпуска нефти в выпускной нефтепровод, а вода подается через отверстие для выпуска воды в выпускной водопровод, причем система содержит регулирующий клапан, установленный в отверстии для выпуска нефти или выпускном нефтепроводе на выходе из циклона, первый измерительный преобразователь перепада давления, расположенный между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска нефти из циклона, и второй измерительный преобразователь перепада давления, расположенный между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска воды из циклона, отличающаяся тем, что в отверстии для выпуска воды или выпускном водопроводе расположен датчик, предназначенный для измерения содержания нефти и функционально соединенный с регулирующим клапаном с помощью средства управления, при этом регулирующий клапан выполнен с возможностью работы в соответствии с заданным значением отношения между первым и вторым перепадами давления, причем данная уставка и степень открытия регулирующего клапана могут регулироваться в ответ на изменение содержания нефти в воде, которое измеряется указанным датчиком.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что датчик представляет собой фоновый датчик, который имеет объектив и камеру, расположенную между двумя световыми источниками, установленными снаружи окна, выполненного в стенке трубы, или в самом окне.

3. Способ управления расположенным под водой циклоном, предназначенным для отделения нефти от воды, при этом циклон располагают с возможностью приема по впускному трубопроводу воды, возможно содержащей нефть, нефть отделяют от воды и подают через отверстие для выпуска нефти в выпускной нефтепровод, а воду подают через отверстие для выпуска воды в выпускной водопровод, в отверстии для выпуска нефти или выпускном нефтепроводе на выходе из циклона устанавливают регулирующий клапан, между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска нефти из циклона устанавливают первый измерительный преобразователь перепада давления, а между впускным трубопроводом и отверстием для выпуска воды из циклона устанавливают второй измерительный преобразователь перепада давления, отличающийся тем, что в отверстии для выпуска воды или выпускном водопроводе располагают датчик, предназначенный для измерения содержания нефти, и управляют регулирующим клапаном в соответствии с заданным значением отношения между первым и вторым перепадами давления, причем данную уставку и степень открытия регулирующего клапана регулируют в ответ на изменение содержания нефти в воде, которое измеряют указанным датчиком.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что постоянное значение отношения между первым и вторым перепадами давления поддерживают ПИД-контроллером путем управления регулирующим клапаном, установленным в отверстии для выпуска нефти или выпускном нефтепроводе.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что если содержание нефти в воде, измеренное указанным датчиком, превышает предельно допустимое значение, отношение перепадов давления увеличивают, в результате чего регулирующий клапан открывается в большей степени, и больше нефти отделяют от воды.

6. Способ по п. 3, отличающийся тем, что для измерения по меньшей мере одного из параметров: содержания нефти и содержания твердых частиц в потоке воды, протекающей по трубе в расположенное под водой сепарационное оборудование или из него, используют фоновый датчик.