RU2834626C1

RU2834626C1 - Method of distributing flows of working media at underwater process plant

Info

Publication number: RU2834626C1
Application number: RU2024118698A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Ковалев; Елена Сергеевна Кудряшова; Дмитрий Александрович Титов; Алексей Александрович Выдра
Original assignee: Публичное акционерное общество "Газпром"
Filing date: 2024-07-02
Publication date: 2025-02-11

Abstract

FIELD: mechanical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to machine building, namely to equipment for collection and distribution of gas-liquid flows, and can be used in oil and gas industry. Method of distributing flows of working media at underwater process plant includes supply of gas-liquid flow into piping due to energy of gas-liquid flow through at least one inlet pipeline. Gas-liquid flow is directed to the outlet section of at least one inlet pipeline located in the upper part of the collector at an angle with the possibility of entering the downstream collector under the action of gravitational forces of the gas-liquid flow, having a larger flow area than the flow area of at least one inlet pipeline, in which gas-liquid flows of the entire underwater process plant are collected, they are mixed and the flow rate is reduced, after which the gas-liquid flow is distributed along at least one outlet pipeline having a smaller flow area than the flow area of the collector. Liquid fraction accumulated in the lower part of the collector is drained into the stagnant zone of the downstream inlet section of at least one outlet pipeline, from where it is further carried out in the form of a liquid plug.

EFFECT: reduced dynamic effects on pipeline due to passage of liquid plugs.

2 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к оборудованию для сбора и распределения газожидкостных потоков, и может быть использовано в нефтегазодобывающей промышленности.The invention relates to the field of mechanical engineering, namely to equipment for collecting and distributing gas-liquid flows, and can be used in the oil and gas production industry.

Известен способ, обеспечивающий движение и управления потоками флюида посредством разветвленной трубной системы с центральным стволовым корпусом обвязки фонтанной арматуры (RU 188422 U1, «ОБВЯЗКА ФОНТАННОЙ АРМАТУРЫ», патентообладатель - Акционерное общество «Научно-исследовательский институт резиновых покрытий и изделий» (RU), опубл. 11.04.2019).A method is known that ensures the movement and control of fluid flows by means of a branched pipe system with a central wellhead piping body (RU 188422 U1, "FOUNTAIN PIPE", patent holder - Joint-Stock Company "Research Institute of Rubber Coatings and Products" (RU), published 11.04.2019).

Недостатком известного решения является то, что оно не оптимизировано для использования в составе манифольдов и используется в оборудовании подводной фонтанной арматуры. Конструкция обвязки не позволяет произвести распределение пластового продукта по потребителям. Также невозможным является сбор с нескольких скважин.The disadvantage of the known solution is that it is not optimized for use in manifolds and is used in underwater fountain equipment. The design of the piping does not allow for the distribution of the reservoir product to consumers. It is also impossible to collect from several wells.

Известен способ, обеспечивающий разделение фаз флюида и повторную закачку плотного газа посредством модульной системы, которая содержит подводный сепаратор с входом для приема флюида из скважины, трубопровод газового потока от выпускного отверстия газового потока подводного сепаратора, бустерный насос, сообщающийся с выходом газового потока подводного сепаратора, трубопровод потока жидкости от выпускного отверстия потока жидкости подводного сепаратора, жидкостный бустер, сообщающийся с выпускным отверстием потока жидкости подводного сепаратора, при этом газовый поток направляется от подводного сепаратора к бустерному насосу, где давление газового потока повышается подпорным насосом и направляется в нагнетательную скважину (WO 2021209172 А1, «SUBSEA PHASE-SEPARATION AND DENSE GAS REINJECTION BY USING A PUMP», патентообладатель - VETCO GRAY SCANDINAVIA AS, опубл. 21.10.2021).A method is known that ensures the separation of fluid phases and the re-injection of dense gas by means of a modular system that comprises an underwater separator with an inlet for receiving fluid from a well, a gas flow pipeline from the gas flow outlet of the underwater separator, a booster pump communicating with the gas flow outlet of the underwater separator, a liquid flow pipeline from the liquid flow outlet of the underwater separator, a liquid booster communicating with the liquid flow outlet of the underwater separator, wherein the gas flow is directed from the underwater separator to the booster pump, where the pressure of the gas flow is increased by a booster pump and directed to an injection well (WO 2021209172 A1, "SUBSEA PHASE-SEPARATION AND DENSE GAS REINJECTION BY USING A PUMP", patent holder - VETCO GRAY SCANDINAVIA AS, published 10/21/2021).

Недостатком известного изобретения является отсутствие возможности контроля объема жидкости в потоке добываемого флюида и высокие массогабаритные характеристики конструкции.The disadvantage of the known invention is the lack of the ability to control the volume of liquid in the flow of the extracted fluid and the high mass and size characteristics of the structure.

Наиболее близким к заявленному изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является способ разделения жидкости и газа, включающий в себя подачу скважинного потока к пробковому буферу (пробкоуловителю), установленному на морском дне, транспортировку скважинного потока из пробкового буфера в систему гравитационного разделения, разделение жидкости и газа путем распределения скважинного потока по ряду труб, которые расположены в нескольких плоскостях, тем самым обеспечивая направление газа в одной плоскости (уровне) и жидкости в одной или нескольких плоскостях (уровнях), и транспортировку газа и жидкости через соответствующие транспортные системы (US 8282711 В2, «Subsea installation and method for separation of liquid and gas», патентнообладатель - FMC Kongsberg Subsea AS, опубл. 10.09.2012).The closest to the claimed invention in technical essence and the achieved technical result is a method for separating liquid and gas, which includes feeding a well flow to a plug buffer (plug catcher) installed on the seabed, transporting the well flow from the plug buffer to a gravity separation system, separating the liquid and gas by distributing the well flow through a series of pipes that are located in several planes, thereby ensuring the direction of gas in one plane (level) and liquid in one or more planes (levels), and transporting gas and liquid through appropriate transport systems (US 8282711 B2, “Subsea installation and method for separation of liquid and gas”, patent holder - FMC Kongsberg Subsea AS, published 10.09.2012).

Недостатком известного изобретения является то, что разделение потоков приводит к эффекту сепарации пластового продукта, что требует наличия отдельных трубопроводных систем распределения жидкой и газовой фракций. В верхней части трубопроводной системы идет газовая фракция, а жидкость скапливается в нижней части трубопроводной системы для последующей перекачки. При этом для полноценного разделения фракций используется динамическое оборудование, например, насосный агрегат. Наличие пробкового буфера (пробкоуловителя) и отдельной трубопроводной системы распределения жидкой фракции от газовой фракции усложняет конструкцию и делает ее более габаритной.The disadvantage of the known invention is that the separation of flows leads to the effect of separation of the reservoir product, which requires the presence of separate pipeline systems for distributing the liquid and gas fractions. The gas fraction goes in the upper part of the pipeline system, and the liquid accumulates in the lower part of the pipeline system for subsequent pumping. In this case, dynamic equipment is used for full separation of fractions, for example, a pump unit. The presence of a plug buffer (plug catcher) and a separate pipeline system for distributing the liquid fraction from the gas fraction complicates the design and makes it more dimensional.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является создание способа распределения потоков рабочих сред на подводной технологической установке, позволяющего повысить ресурс работы системы сбора и распределения газожидкостных потоков и ее технологичность.The task that the proposed invention is aimed at solving is the creation of a method for distributing flows of working media in an underwater technological installation, which makes it possible to increase the service life of the system for collecting and distributing gas-liquid flows and its manufacturability.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в уменьшении динамических воздействий на трубопровод вследствие прохождения жидкостных пробок.The technical result achieved by implementing the proposed invention consists in reducing the dynamic effects on the pipeline due to the passage of liquid plugs.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе распределения потоков рабочих сред на подводной технологической установке, включающем в себя подачу газожидкостного потока в трубную обвязку за счет энергии газожидкостного потока через по меньшей мере один входной трубопровод, причем газожидкостной поток направляют в участок излива по меньшей мере одного входного трубопровода, расположенный в верхней части коллектора под углом с возможностью попадания под действием гравитационных сил газожидкостного потока в расположенный ниже по течению коллектор, имеющий большую площадь проходного сечения, чем площадь проходного сечения по меньшей мере одного входного трубопровода, в котором собирают газожидкостные потоки всей подводной технологической установки, смешивают их и уменьшают скорость потока, после чего газожидкостной поток распределяют по меньшей мере по одному выходному трубопроводу, имеющему меньшую площадь проходного сечения, чем площадь проходного сечения коллектора, при этом скопленную в нижней части коллектора жидкую фракцию сливают в застойную зону расположенного ниже по течению входного участка по меньшей мере одного выходного трубопровода, откуда происходит ее последующий вынос в виде жидкостной пробки.The specified technical result is achieved in that in the method for distributing flows of working media in an underwater process plant, which includes feeding a gas-liquid flow into the piping system due to the energy of the gas-liquid flow through at least one inlet pipeline, wherein the gas-liquid flow is directed into the discharge section of at least one inlet pipeline located in the upper part of the manifold at an angle with the possibility of falling, under the action of the gravitational forces of the gas-liquid flow, into a manifold located downstream, having a larger cross-sectional area than the cross-sectional area of at least one inlet pipeline, in which the gas-liquid flows of the entire underwater process plant are collected, mixed and the flow rate is reduced, after which the gas-liquid flow is distributed along at least one outlet pipeline having a smaller cross-sectional area than the cross-sectional area of the manifold, wherein the liquid fraction accumulated in the lower part of the manifold is drained into the stagnant zone of the downstream inlet section of at least one outlet pipeline, from where it is subsequently removed in the form of a liquid plug.

При этом на входном участке по меньшей мере одного выходного трубопровода может быть установлена локальная тепловая изоляция.In this case, local thermal insulation may be installed on the inlet section of at least one outlet pipeline.

Транспортировка пластового продукта осуществляется за счет энергии потока, поэтому при осуществлении способа распределения потоков рабочих сред на подводных технологических установках не требуется использование дополнительного оборудования, например, насосных агрегатов. Стоит также отметить, что входной трубопровод выполнен в форме прямой трубы.The transportation of the reservoir product is carried out due to the energy of the flow, therefore, when implementing the method of distributing the flows of working media in underwater process installations, no additional equipment, such as pump units, is required. It is also worth noting that the inlet pipeline is made in the form of a straight pipe.

В ходе эксплуатации газожидкостной поток поступает в трубопроводную обвязку через входной трубопровод, при этом количество входных трубопроводов может варьироваться в проектном диапазоне от одного до количества, которое обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики.During operation, the gas-liquid flow enters the pipeline piping through the inlet pipeline, while the number of inlet pipelines can vary in the design range from one to a number that ensures the required operational characteristics.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, на которых показаны:The proposed invention is illustrated by drawings, which show:

фиг. 1 - конструкция трубопроводной обвязки;Fig. 1 - design of pipeline piping;

фиг. 2 - вариант конфигурации трубопровода;Fig. 2 - variant of pipeline configuration;

фиг. 3 - направление газожидкостного потока в трубопроводе.Fig. 3 - direction of gas-liquid flow in the pipeline.

Входной трубопровод (фиг.1, 2) состоит из трех основных участков -входной участок 1, запорная (или запорно-регулирующая) арматура 2 и участок 3 излива в коллектор 4, имеющий большую площадь проходного сечения, чем площадь проходного сечения входного трубопровода.The inlet pipeline (Fig. 1, 2) consists of three main sections - the inlet section 1, the shut-off (or shut-off and control) valves 2 and the section 3 of the outlet into the manifold 4, which has a larger flow area than the flow area of the inlet pipeline.

Входной трубопровод (позиции 1-3 на фиг. 1, 2) располагается выше коллектора 4 и выполнен в форме прямой трубы, то есть не предусматривает в своей конструкции ниши, выемки и других низких точек конструкции, которые могут способствовать накоплению жидкости и твердых включений.The inlet pipeline (positions 1-3 in Fig. 1, 2) is located above the collector 4 and is made in the form of a straight pipe, i.e. it does not include in its design a niche, recess or other low points of the structure that can contribute to the accumulation of liquid and solid inclusions.

Участок 3 излива в коллектор 4 располагается в верхней части коллектора 4 - под углом. Это необходимо для того, чтобы газожидкостной поток попадал в коллектор 4 под действием гравитационных сил и во входном трубопроводе не было застойных зон.Section 3 of the outlet into the collector 4 is located in the upper part of the collector 4 - at an angle. This is necessary so that the gas-liquid flow enters the collector 4 under the action of gravitational forces and there are no stagnant zones in the inlet pipeline.

В коллекторе 4 производят сбор газожидкостных потоков для последующего распределения по выходному трубопроводу.In collector 4, gas-liquid flows are collected for subsequent distribution through the outlet pipeline.

Количество выходных трубопроводов может варьироваться в проектном диапазоне от одного до количества, которое обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики.The number of outlet pipelines can vary in the design range from one to a number that provides the required operational characteristics.

Выходной трубопровод (фиг. 1, 2) состоит из трех основных участков - входного участка 5, запорной арматуры 6 и выходного участка 7.The outlet pipeline (Fig. 1, 2) consists of three main sections - the inlet section 5, the shut-off valves 6 and the outlet section 7.

В коллекторе 4 поток замедляется за счет увеличения диаметра, при этом происходит отделение жидкостной фракции от газожидкостного потока вследствие гидродинамических процессов. Жидкость скапливается в нижней части коллектора 4 и сливается в застойную зону входного участка 5 выходного трубопровода. Слив жидкости обеспечивается за счет слива скапливаемой жидкости из коллектора 4 во входной участок 5 выходного трубопровода под действием сил, возникающих вследствие гравитационных и гидродинамических воздействий. Таким образом происходит снижение объема накапливаемых жидкостей до максимального объема входного участка 5.In collector 4, the flow slows down due to an increase in diameter, and the liquid fraction is separated from the gas-liquid flow due to hydrodynamic processes. The liquid accumulates in the lower part of collector 4 and drains into the stagnant zone of the inlet section 5 of the outlet pipeline. Liquid drainage is ensured by draining the accumulated liquid from collector 4 into the inlet section 5 of the outlet pipeline under the action of forces arising due to gravitational and hydrodynamic effects. In this way, the volume of accumulated liquids decreases to the maximum volume of inlet section 5.

При условии пробкового режима эксплуатации (режим эксплуатации трубопровода, который отличается от нормального/проектного режима пропуском жидкостных пробок сложнопрогнозируемого объема, накопленного в другом оборудовании/скважинах, нижних точках подводящих/магистральных трубопроводов) за счет своей конструкции коллектор 4 обеспечивает разрушение жидкостных пробок, поступающих в оборудование по входным трубопроводам. Разрушение жидкостных пробок происходит за счет изменения направления газожидкостного потока из входного трубопровода через коллектор 4 в выходной трубопровод. В итоге, жидкостная пробка, попадая в коллектор 4, распределяется по объему коллектора 4.Under the condition of the plug mode of operation (the mode of operation of the pipeline, which differs from the normal/design mode by the passage of liquid plugs of a difficult to predict volume, accumulated in other equipment/wells, lower points of supply/main pipelines), due to its design, the collector 4 ensures the destruction of liquid plugs entering the equipment through the inlet pipelines. The destruction of liquid plugs occurs due to the change in the direction of the gas-liquid flow from the inlet pipeline through the collector 4 to the outlet pipeline. As a result, the liquid plug, entering the collector 4, is distributed throughout the volume of the collector 4.

Входной участок 5 выходного трубопровода располагается в нижнем секторе коллектора 4 таким образом, чтобы скапливаемая жидкость сливалась из нижней части коллектора 4 во входной участок 5 выходного трубопровода. Скорость потока в выходном трубопроводе за счет уменьшения проходного сечения относительно проводного сечения коллектора 4 способствует выносу накапливаемой жидкости. Чем больше жидкости собирается в застойной зоне входного участка 5, тем выше скорость газожидкостного потока, проходящего через этот участок, что, в свою очередь, увеличивает влияние потока на накопленную жидкость в виде увеличения интенсивности смешения в пограничном слое и, соответственно, вследствие увеличения энергии потока обеспечивается вынос жидкости вместе с газожидкостным потоком. Повышение скорости во входном участке 5 выходного трубопровода происходит вследствие уменьшения походного сечения при условии неизменного массового расхода газожидкостного потока.The inlet section 5 of the outlet pipeline is located in the lower sector of the manifold 4 in such a way that the accumulated liquid is drained from the lower part of the manifold 4 into the inlet section 5 of the outlet pipeline. The flow velocity in the outlet pipeline due to the decrease in the flow cross-section relative to the flow cross-section of the manifold 4 facilitates the removal of the accumulated liquid. The more liquid accumulates in the stagnant zone of the inlet section 5, the higher the velocity of the gas-liquid flow passing through this section, which, in turn, increases the effect of the flow on the accumulated liquid in the form of an increase in the mixing intensity in the boundary layer and, accordingly, due to the increase in the flow energy, the removal of liquid together with the gas-liquid flow is ensured. The increase in the velocity in the inlet section 5 of the outlet pipeline occurs due to a decrease in the flow cross-section under the condition of an unchanged mass flow rate of the gas-liquid flow.

Вынос накопленной жидкости происходит непрерывно в режиме эксплуатации. Вынос накопленной жидкости после открытия запорной арматуры 6 выходного трубопровода происходит в виде жидкостной пробки в рассчитанном (прогнозируемом) объеме. При условии закрытой запорной арматуры 6 выходного трубопровода жидкость накапливается в ограниченном объеме, который определяется длиной и диаметром входного участка 5 выходного трубопровода. Таким образом производится накопление прогнозируемого или расчетного объема жидкости, что позволяет избежать появления критичных объемов жидкостных пробок внутри оборудования, которые могут привести к выходу из строя динамического оборудования, работающего с газово-жидкостной средой.The accumulated liquid is carried out continuously in the operating mode. The accumulated liquid is carried out after the opening of the shut-off valve 6 of the outlet pipeline in the form of a liquid plug in the calculated (predicted) volume. If the shut-off valve 6 of the outlet pipeline is closed, the liquid accumulates in a limited volume, which is determined by the length and diameter of the inlet section 5 of the outlet pipeline. In this way, the predicted or calculated volume of liquid is accumulated, which allows avoiding the occurrence of critical volumes of liquid plugs inside the equipment, which can lead to the failure of dynamic equipment operating with a gas-liquid medium.

Таким образом в коллекторе 4 не накапливаются большие объемы жидкости, что облегчает последующие операции по обслуживанию трубопровода и оборудования, в котором этот трубопровод используется, а также обеспечиваются стабильные гидрогазодинамические параметры при эксплуатации, что позволяет повысить ресурс работы и технологичность системы.Thus, large volumes of liquid do not accumulate in collector 4, which facilitates subsequent maintenance operations of the pipeline and equipment in which this pipeline is used, and also ensures stable hydrogasdynamic parameters during operation, which increases the service life and technological efficiency of the system.

Снижение объема накапливаемых жидкостей в застойных зонах происходит за счет обеспечения повышенных скоростей в зонах скопления.The reduction in the volume of accumulated liquids in stagnant zones occurs due to the provision of increased speeds in accumulation zones.

В условиях пониженных температур и высоких давлений в зонах насыщения газа водными фракциями может происходить образование гидратов. С целью защиты от возможных гидратных образований вокруг входного участка 5 выходного трубопровода размещается локальная тепловая изоляция, например, в виде нагревательные устройства 8. В качестве нагревательных устройств могут быть использованы, например, системы электрического обогрева.Under conditions of low temperatures and high pressures, hydrates may form in zones of gas saturation with water fractions. In order to protect against possible hydrate formations, local thermal insulation is placed around the input section 5 of the output pipeline, for example, in the form of heating devices 8. Electric heating systems, for example, may be used as heating devices.

Claims

1. A method for distributing working fluid flows at an underwater process plant, comprising feeding a gas-liquid flow into a piping system using the energy of the gas-liquid flow through at least one inlet pipeline, characterized in that the gas-liquid flow is directed into a discharge section of at least one inlet pipeline located in the upper part of the manifold at an angle with the possibility of falling, under the action of gravitational forces of the gas-liquid flow, into a manifold located downstream, having a larger cross-sectional area than the cross-sectional area of at least one inlet pipeline, in which the gas-liquid flows of the entire underwater process plant are collected, mixed and the flow velocity is reduced, after which the gas-liquid flow is distributed through at least one outlet pipeline having a smaller cross-sectional area than the cross-sectional area of the manifold, wherein the liquid fraction accumulated in the lower part of the manifold is drained into a stagnant zone of the downstream inlet section of at least one outlet pipeline, from where its subsequent removal occurs in the form of a liquid plug.

2. The method according to paragraph 1, characterized in that local thermal insulation is installed on the input section of at least one output pipeline.