專利名稱：一種基于熱流物流匹配的冷流系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種流動(dòng)安全保障技術(shù)，具體設(shè)計(jì)了一種基于熱流物流匹 配的冷流系統(tǒng)?？梢詰?yīng)用于深海油田的水下生產(chǎn)系統(tǒng)以保證從海底井口到 平臺(tái)之間油氣混輸管線的流動(dòng)安全，同時(shí)也適用于陸地生產(chǎn)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著世界能源需求的不斷增長(zhǎng)，在加大現(xiàn)有資源開發(fā)力度的同時(shí)，開 辟深海油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域以尋求新的資源是當(dāng)前面臨的主要任務(wù)。深海具
有兩個(gè)顯著特點(diǎn):高靜水壓力和低環(huán)境溫度。低環(huán)境溫度會(huì)使流體溫度降 低到蠟狀物沉積和氣體水化物形成的臨界點(diǎn)以下，固體物質(zhì)就會(huì)析出并凝 結(jié)在管壁上，最終會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)系統(tǒng)或管線的堵塞，影響正常的生產(chǎn)運(yùn)行，在 某些嚴(yán)重情況下，甚至?xí)?dǎo)致油井停產(chǎn)，必須防止或定期清除。流動(dòng)保障 的功能是確保石油天然氣以穩(wěn)定、易管理的、經(jīng)濟(jì)的方式從油藏到達(dá)目的 地。流動(dòng)安全保障作為石油天然氣生產(chǎn)系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是深海 油氣田開發(fā)的關(guān)健問(wèn)題之一，直接影響到開發(fā)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)， 流動(dòng)安全保障的高嚴(yán)要求和由此而來(lái)的高造價(jià)、高系統(tǒng)復(fù)雜性帶動(dòng)了許多 技術(shù)的發(fā)展。
管道流動(dòng)保障工作需要重點(diǎn)解決水合物和蠟在管內(nèi)沉積堵塞的問(wèn)題。 對(duì)此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)行業(yè)做了大量的研究工作,形成了一些切實(shí)有效的技術(shù)。
目前主要有以下幾種解決方案管線中注入化學(xué)藥劑(包括熱動(dòng)力水合物 抑制劑和低劑量水合物抑制劑)以減少或阻止蠟、水合物、瀝青質(zhì)等形成，析出，沉積，防止管線堵塞。該方法在可操作性及油田適應(yīng)性存在很大的 局限，并且不可避免的帶來(lái)油品的污染，同時(shí)運(yùn)行成本也較高，是一種非 綠色環(huán)保工藝方法；直接電加熱法通過(guò)電纜連接管道，使管道內(nèi)的流體保 持較高溫度，即使在管道停輸期間其溫度也高于水合物形成的溫度和析蠟 點(diǎn)，還可用于預(yù)防固體沉積。該方法可操作性及油田適應(yīng)性均較好，具有 較好的環(huán)保性能。最大的風(fēng)險(xiǎn)在于加熱電纜的短路將破壞混輸管道，而且 隨著管輸距離的增加，供熱能量會(huì)減少，而產(chǎn)熱費(fèi)用和電力費(fèi)用會(huì)增加。電 加熱方法對(duì)于混輸距離小于200km的管線有最好的綜合性能，對(duì)于更長(zhǎng)的 距離，由于需要更大的電加熱功率，技術(shù)與風(fēng)險(xiǎn)成本大大增加，甚至近期 都不能解決長(zhǎng)距離高電壓電纜技術(shù)；冷流技術(shù)基于控制混輸管線中水合物 顆粒形成目的，理論上具有良好的可操作性及油田適應(yīng)性，風(fēng)險(xiǎn)適中，環(huán) 境友好，投資及運(yùn)行成本適中。但是，該技術(shù)目前還沒(méi)有應(yīng)用先例，仍處 于研究中，主要有2個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，SINTEF與BP聯(lián)合開展研發(fā)，NTNU的 Gudmundsson教授。冷流技術(shù)與直接加熱法相比對(duì)200km以上混輸距離的管 線有更好的綜合性能。
美國(guó)專利US6774276基于SINTEF-BP冷流思想提出了一種含水的碳?xì)?化合物在管道中穩(wěn)定輸送的技術(shù)，綜合考慮了多種情況下的流動(dòng)安全問(wèn) 題，但采用的水下裝置比較多，成本比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠使多相流體在管道中穩(wěn)定的流動(dòng)，不 會(huì)形成堵塞的基于熱流物流匹配的冷流系統(tǒng)。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括設(shè)置在油(氣)井 內(nèi)的井筒，在井筒內(nèi)設(shè)置有與井口相連通的油管，井口通過(guò)輸油管路與冷流系統(tǒng)相連接，冷流系統(tǒng)通過(guò)輸油管道與收集裝置相連；
所說(shuō)的冷流系統(tǒng)包括與輸出油(氣)的輸油管路相連通的換熱器，換 熱器的輸出端依次通過(guò)反應(yīng)器和分離器與輸油管路相連通，所說(shuō)的分離器 的輸出端還通過(guò)回輸管線及回流泵與反應(yīng)器的輸出端相連通。
本發(fā)明的分離器通過(guò)輸油管路還連接有混合器，混合器的輸入端還與 濕氣管路相連通；冷流系統(tǒng)中經(jīng)輸送管路輸出的氣在進(jìn)入換熱器之前的管 路上還設(shè)置有節(jié)流裝置；井口與冷流系統(tǒng)之間的輸油管路上還設(shè)置有匹配 系統(tǒng)，且在油管內(nèi)還設(shè)置有與匹配系統(tǒng)相連接的傳感器；匹配系統(tǒng)包括控 制中心，控制中心的輸入端與輸入設(shè)備和傳感器相連接，輸入設(shè)備將各油 井的物質(zhì)組成及其成分輸入到控制中心，傳感器將測(cè)量的實(shí)時(shí)壓力、溫度 等數(shù)據(jù)輸入到控制中心，控制中心的輸出端連接有用于控制各油井流量的 輸出設(shè)備。
本發(fā)明通過(guò)熱流物流匹配，實(shí)現(xiàn)多井氣液流量的控制；使多相流體在 管道中穩(wěn)定的流動(dòng)，不會(huì)形成堵塞?；瘜W(xué)劑用量很少或基本不用，而且能 全部消耗掉，環(huán)保性能好；系統(tǒng)可操作性好，成本低；運(yùn)輸管線中水全部 以水合物的形式存在，減小了管道堵塞和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)；水合物形成的同時(shí)， 蠟也會(huì)結(jié)晶，降低了管道中結(jié)蠟的風(fēng)險(xiǎn)；管線和周圍環(huán)境處于熱力平衡狀 態(tài)，水合物在管線中運(yùn)輸時(shí)不會(huì)融化，適用于長(zhǎng)距離輸送。


圖1為單井的水下生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)示意圖； 圖2為多井的水下生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)示意圖； 圖3為油井的冷流系統(tǒng)示意圖； 圖4為氣井的冷流系統(tǒng)示意圖；圖5為匹配系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中的標(biāo)號(hào)名稱及含義如下
1:油(氣)井；2:油管；3:井筒；4:井口； 5:冷流系統(tǒng)；5-1: 油(氣)；5-2:換熱器；5-3:反應(yīng)器；5-4:分離器；5-5:回輸管線； 5-6:泵；5-7:濕氣；5-8:混合器；5-9:運(yùn)輸管線；5-10:節(jié)流裝置； 6:收集裝置；7:傳感器；8:匹配系統(tǒng)；8-1:輸入設(shè)備；8-2:輸出設(shè) 備；8-3:控制中心
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
參見圖1，若油井與其他井距離較遠(yuǎn)，可以考慮單井輸送。包括設(shè)置
在油(氣)井1內(nèi)的井筒3，在井筒3內(nèi)設(shè)置有與井口4相連通的油管2， 井口 4通過(guò)輸油管路與冷流系統(tǒng)5相連接，冷流系統(tǒng)通過(guò)輸油管路5-9與 收集裝置6相連。油管2沿油(氣)井1中的井筒3延伸，將油(氣)從 井底舉升到井口 4，從井口 4輸出的流體直接進(jìn)入冷流系統(tǒng)5形成穩(wěn)定的 多相流體，以保障水下生產(chǎn)系統(tǒng)的流動(dòng)安全。經(jīng)冷流系統(tǒng)5處理的流體流 動(dòng)過(guò)程中流體溫度壓力變化不大，水合物和蠟，瀝青等物質(zhì)不會(huì)沉積，流 體在管道中穩(wěn)定流動(dòng)。
圖2所示的多井水下生產(chǎn)運(yùn)輸系統(tǒng)，井口 4與冷流系統(tǒng)5之間的輸油 管路上還設(shè)置有匹配系統(tǒng)8，沿各井油管2布置了一些與匹配系統(tǒng)8耦合 的傳感器7。油(氣)通過(guò)油管2輸送到井口 4，從井口 4輸出的流體首 先輸送到匹配系統(tǒng)8，匹配系統(tǒng)8根據(jù)已測(cè)的各油井產(chǎn)物成分和傳感器系 統(tǒng)測(cè)量的實(shí)時(shí)壓力溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)熱流物流匹配的計(jì)算結(jié)果對(duì)各 井的流量進(jìn)行控制，得到最佳的流量分配。經(jīng)過(guò)流量匹配的流體進(jìn)入冷流系統(tǒng)5，流體在冷流系統(tǒng)5中形成穩(wěn)定的水合物。多相流體在輸油管路5-9 中穩(wěn)定流動(dòng)直至輸送系統(tǒng)的末端，在此過(guò)程中周圍環(huán)境溫度壓力變化不大 而且沒(méi)有自由水的存在，不會(huì)有水合物形成，蠟，瀝青等物質(zhì)也基本不會(huì) 沉積，流動(dòng)比較穩(wěn)定。
參見圖3，冷流系統(tǒng)5包括與輸出油(氣)5-1的輸油管路相連通的 換熱器5-2，換熱器5-2的輸出端依次通過(guò)反應(yīng)器5-3、分離器5-4和混 合器5-8與輸油管道5-9相連通，所說(shuō)的分離器5-4的輸出端還通過(guò)回輸 管線5-5及回流泵5-6與反應(yīng)器5-3的輸出端相連通，混合器5-8的輸入 端還與濕氣管路5-7相連通。從匹配系統(tǒng)8出來(lái)的熱的油井產(chǎn)物5-l，經(jīng) 過(guò)流量匹配后含水率不是太高，蠟，瀝青等的沉積的風(fēng)險(xiǎn)也較小，基本上 不用加化學(xué)劑， 一般只有在系統(tǒng)啟動(dòng)等不穩(wěn)定的工況下需要注入少量的化 學(xué)劑，可以直接將化學(xué)劑注入到反應(yīng)器5-3中，化學(xué)劑可以是蠟，瀝青等 的抑制劑或是水合物的成核劑，根據(jù)油井的具體情況而定?；瘜W(xué)劑用量較 小，可以全部消耗掉，不會(huì)污染環(huán)境。流體經(jīng)輸油管道直接進(jìn)入換熱器5-2 冷卻，溫度降低到水合物形成平衡溫度附近。流體冷卻降溫后輸送到反應(yīng) 器5-3中，與分離器5-4中分離出的一部分冷流體混合，冷流體中包含有 大量的干水合物顆粒，濕流體在不含自由水的干水合物粒子上結(jié)晶，或使 干水合物尺寸增大或形成新的水合物。水合物形成需要一定的過(guò)冷度，過(guò) 冷度由分離器5-4分離出的冷流體提供，反應(yīng)器5-3的器壁溫度比較低也 可以提供一定的過(guò)冷度。為防止污垢或沉淀的形成，反應(yīng)器5-3的器壁采 用防水材料。包含大量水合物的流體在管線中經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)輸，到達(dá) 分離器5-4中溫度降低到接近周圍環(huán)境溫度。分離器5-4將流體分成兩部 分， 一部分水合物顆粒和剩余流體與濕氣5-7在混合容器5-8中混合，經(jīng)管線5-9輸送出去；剩下的部分冷流體經(jīng)泵5-6回輸?shù)椒磻?yīng)器5-3中，提 供水合物形成需要的固體顆粒，使循環(huán)持續(xù)進(jìn)行。冷流體在回輸管線5-5 中進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻，以提供水合物形成的過(guò)冷度需求。濕氣5-7與分離 器5-4中分離出的部分流體在混合容器5-8中混合，濕氣5-7中的自由水 分與冷流體中的水合物粒子混合，使水合物粒子尺寸增大或是形成新的水 合物。在混合器5-8中，所有的自由水分都用于形成水合物，因此混合器 5-8出口流體中所有的水都以水合物的形式存在，流體在管線5-9中穩(wěn)定 的流動(dòng)，直到輸送管線的末端。
圖4主要針對(duì)的是氣井的流動(dòng)安全系統(tǒng)，與圖3的過(guò)程大體上是一致 的。從匹配系統(tǒng)出來(lái)的熱的氣體5-l，經(jīng)管線節(jié)流裝置5-10降溫降壓，再 進(jìn)入換熱器5-2繼續(xù)冷卻。流體在反應(yīng)器5-3中與分離器5-4中分離出的一 部分含有水合物顆粒的冷流體混合，經(jīng)節(jié)流裝置5-10和換熱器5-2降溫后 的流體中的水蒸氣在反應(yīng)器5-3中凝結(jié)成液態(tài)水與自由水一起在水合物顆 粒上結(jié)晶，或使水合物顆粒尺寸增大或形成新的水合物。分離器5-4將流 體分成兩部分， 一部分流體直接經(jīng)管線5-9輸送出去，剩余流體經(jīng)泵5-6輸 送到反應(yīng)器5-3中提供循環(huán)所需的水合物顆粒，流體在分離器5-4之前在管 線輸送過(guò)程中溫度已接近周圍環(huán)境溫度，冷流體在管線5-9中將會(huì)進(jìn)行進(jìn) 一步的冷卻，以滿足水合物形成的過(guò)冷度需求。
圖5的匹配系統(tǒng)中8-l是輸入設(shè)備，根據(jù)已測(cè)數(shù)據(jù)將各油井的物質(zhì)組成 及其成分等輸入到控制中心8-3中，同時(shí)傳感器7也將測(cè)量的實(shí)時(shí)壓力溫度 等數(shù)據(jù)輸入到控制中心8-3中，控制中心根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到最 佳的流量分配，流量匹配結(jié)果從輸出設(shè)備8-2中輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)各井流量的 控制。本發(fā)明首先選定海底油田中距離較近的井，對(duì)各井產(chǎn)物進(jìn)行抽樣，分析每口井組成成分，確定混輸方案。海底油(氣)井采出的原油或天然氣
從井筒3中經(jīng)油管2舉升到井口 4，經(jīng)輸油管線輸送到匹配系統(tǒng)8中。匹配系統(tǒng)8根據(jù)各井產(chǎn)物不同的組成成分和由傳感器7實(shí)時(shí)測(cè)量的壓力、溫度等數(shù)據(jù)以及水合物形成機(jī)理及結(jié)蠟與瀝青質(zhì)形成的動(dòng)力學(xué)規(guī)律等對(duì)各井進(jìn)行物流、熱流匹配，通過(guò)控制每口井的流量使多井產(chǎn)物組成的混合物物理化學(xué)性質(zhì)達(dá)到一定的要求，使結(jié)蠟和瀝青質(zhì)沉積的風(fēng)險(xiǎn)最小。流量匹配后的油(氣)經(jīng)管線輸送至流動(dòng)安全保障系統(tǒng)，本發(fā)明采用的流動(dòng)安全技術(shù)是冷流技術(shù)，含水率要求在一定的范圍內(nèi)，若匹配后的混合物不能達(dá)到含水率要求，可以使油(氣)先經(jīng)過(guò)脫水器除去一定的水分，分離出的水可以經(jīng)注水泵增壓后通過(guò)專用注水井回注到海底注水系統(tǒng)，防止污染環(huán)境。熱流體經(jīng)過(guò)一段管線輸送進(jìn)入換熱器，流體溫度降低到接近于水合物形成平衡溫度附近。經(jīng)換熱器冷卻后的流體輸送到反應(yīng)器中與分離器分離出的一部分冷流體混合形成水合物。反應(yīng)器之后的分離器將流體分為兩部分， 一部分經(jīng)過(guò)運(yùn)輸管線直接輸送至目的地，另一部分回輸?shù)椒磻?yīng)器中提供水合物形成需要的水合物顆粒使循環(huán)持續(xù)進(jìn)行。經(jīng)過(guò)冷流系統(tǒng)后流體中的自由水全部用于形成水合物，由于海底溫度壓力變化不大，后續(xù)流動(dòng)中不會(huì)再有水合物的形成，多相流體在管道中穩(wěn)定的流動(dòng)。在水合物形成的同時(shí)蠟也會(huì)在水合物顆粒上結(jié)晶，而且冷流技術(shù)管壁和中心流體溫度溫差不大，蠟不會(huì)在管壁沉積，管壁結(jié)蠟的風(fēng)險(xiǎn)也比較小。
10
權(quán)利要求
1、一種基于熱流物流匹配的冷流系統(tǒng)，包括設(shè)置在油(氣)井(1)內(nèi)的井筒(3)，在井筒(3)內(nèi)設(shè)置有與井口(4)相連通的油管(2)，其特征在于井口(4)通過(guò)輸油管路與冷流系統(tǒng)(5)相連接，冷流系統(tǒng)通過(guò)輸油管道(5-9)與收集裝置(6)相連；所說(shuō)的冷流系統(tǒng)(5)包括與輸出油(氣)(5-1)的輸油管路相連通的換熱器(5-2)，換熱器(5-2)的輸出端依次通過(guò)反應(yīng)器(5-3)和分離器(5-4)與輸油管路相連通，所說(shuō)的分離器(5-4)的輸出端還通過(guò)回輸管線(5-5)及回流泵(5-6)與反應(yīng)器(5-3)的輸出端相連通。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱流物流匹配的冷流系統(tǒng)，其特征在 于所說(shuō)的分離器(5-4)通過(guò)輸油管路還連接有混合器(5-8)，混合器(5-8)的輸入端還與濕氣管路(5-7)相連通。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱流物流匹配的冷流系統(tǒng)，其特征在 于所說(shuō)的冷流系統(tǒng)(5)中經(jīng)輸送管路輸出的氣(5-l)在進(jìn)入換熱器(5-2) 之前的管路上還設(shè)置有節(jié)流裝置(5-10)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于熱流物流匹配的冷流系統(tǒng)，其特征在 于所說(shuō)的井口 (4)與冷流系統(tǒng)(5)之間的輸油管路上還設(shè)置有匹配系 統(tǒng)(8)，且在油管(2)內(nèi)還設(shè)置有與匹配系統(tǒng)(8)相連接的傳感器(7)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于熱流物流匹配的冷流系統(tǒng)，其特征在 于所說(shuō)的匹配系統(tǒng)(8)包括控制中心(8-3)，控制中心(8-3)的輸入 端與輸入設(shè)備(8-1)和傳感器(7)相連接，輸入設(shè)備將各油井的物質(zhì)組 成及其成分輸入到控制中心(8-3)，傳感器(7)將測(cè)量的實(shí)時(shí)壓力、溫度等數(shù)據(jù)輸入到控制中心(8-3)，控制中心(8-3)的輸出端連接有用于 控制各油井流量的輸出設(shè)備(8-2)。
全文摘要
一種基于熱流物流匹配的冷流系統(tǒng)，通過(guò)多井氣、液流量的匹配，流體溫度、壓力及其組分的控制和冷流技術(shù)結(jié)合使多相流體在管道中穩(wěn)定的流動(dòng)。從油(氣)井中開采出的流體，依次經(jīng)匹配系統(tǒng)，冷流系統(tǒng)，輸送至輸油(氣)管道。匹配系統(tǒng)對(duì)各井進(jìn)行物流、熱流匹配，得到最佳的流量分配。冷流系統(tǒng)將多相流體中水全部形成水合物，使后續(xù)流動(dòng)中不再有水合物形成。匹配系統(tǒng)和冷流系統(tǒng)結(jié)合可以防止水合物形成、沉積堵塞管道，使多相流體在管道中穩(wěn)定的流動(dòng)。本發(fā)明化學(xué)劑用量最少，環(huán)保性能好，成本低，管道堵塞和腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)小，適合長(zhǎng)距離輸送。
文檔編號(hào)F17D1/00GK101476671SQ20091002098
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月20日
發(fā)明者呂孝飛, 白博峰 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)