NO337146B1 - Subsea-system og fremgangsmåte for filtrering og behandling av sjøvann. - Google Patents

Description

Oppfinnelsens område

Den foreliggende oppfinnelsen angår et subsea-system og en fremgangsmåte for behandling av sjøvann, mer spesifikt et subsea-system og en fremgangsmåte omfattende fjerning av sulfat fra sjøvann. Sjøvannet er egnet for etterfølgende injeksjon inn i et reservoar for trykkstøtte.

Bakgrunn

Vanninjeksjon inn i et reservoar for å støtte dets trykk bli vanligvis anvendt for å øke produksjonen av hydrokarboner fra et reservoar. Offshore er sjøvann en mulig fluidkilde for injeksjon.

Kvaliteten på vannet for injeksjon må være av en standard som ikke vil forårsake problemer slik som plugging og/eller flakdannelse (eng. scaling), både i injeksjonsutstyret og reservoaret.

Et sulfatfjerningssystem tilveiebringer sjøvann som kan bli injisert inn i reservoaret for å forbedre oljeutvinning (EOR) ved å opprettholde reservoartrykket og svepe fortrengt olje mot produksjonsbrønnene. Sjøvann inneholder typisk 2,650 mg/l med sulfationer. Formasjonsvann i reservoaret vil inneholde barium i en typisk mengde på 200 mg/l til en høyeste mengde på 2,500 mg/l. Barium vil reagere med sulfationer tilstede i injisert sjøvann og forårsake bariumsulfat-flak (eng. scale).

Den anerkjente løsningen i industrien er å fjerne sulfat fra sjøvann før injeksjon; dette hjelper også med å forhindre brønnforsuring ved å kontrollere sulfatreduserende bakterier (SRB).

De for tiden anvendte systemer for fjerning av sulfater fra sjøvann er anordnet top-side på en rigg eller et fartøy. Sulfatene blir fjernet fra sjøvannet ved bruk av nano-filtreringsmembraner som gir to vannfraksjoner, en redusert i sulfater og en beriket i sulfater. Den berikede vannfraksjonen blir tømt på sjøen, mens den reduserte fraksjonen blir injisert inn i olje/gass-reservoaret. Slike kjente systemer kan behøve omfattende vedlikehold og er ikke egnet for subsea-installasjon. I tillegg er filtrerings- og behandlingssystemer store, og kostnadene spart ved å ha et system plassert subsea, og dermed unngå store installasjoner top-side på en rigg eller fartøy, er betydelige. En ytterligere fordel oppnådd ved et subsea-system er at det unngår å ha en rørledning fra top-side til reservoaret. For eksempel i arktiske miljøer kan tilkoblinger fra top-side til reservoaret måtte bli fraskilt på grunn av drivende isfjell.

Dl beskriver en metode og et system for behandling av væske, spesielt væske som benyttes ved injeksjon til et reservoar, hvor en filtrerings enheten blir tilbakevasket med konsentrat fra sulfatfjerningsenheten.

I D2 er det vist til en anordning og en fremgangsmåte for behandling av vann som skal injiseres i en hydrokarbonbærende formasjon. Anordningen omfatter en filtreringsenhet og en enhet for fjerning av ioniske bestanddeler, fortrinnsvis en sulfatfjernings enhet.

D3 omhandler en studie av bruk av dypvannsfiltre i form av to filterpatroner i serie oppstrøms for en sulfatfjerningsmembran for dermed å forbehandle sjøvann før det ledes inn på sulfatfjerningsenheten. Hensikten er å forbehandle vann som skal injiseres i reservoarer.

Fra D4 er det kjent en filtreringsanordning for å behandle en væske som skal anvendes til injeksjon i en undersjøisk formasjon.

Målet med den foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et subsea-system for fjerning av sulfater fra sjøvann, for å gi sulfatredusert sjøvann for etterfølgende injeksjon inn i et olje/gass-reservoar.

Sammendrag av oppfinnelsen

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer et subsea-system for fjerning av sulfater fra sjøvann. Det oppnådde sulfatreduserte sjøvannet er egnet for etterfølgende injeksjon inn i et olje/gass-reservoar. Systemet er definert i de tilknyttede krav, og i det følgende: I et aspekt tilveiebringer den foreliggende oppfinnelsen et subsea-system for filtrering og behandling av sjøvann, omfattende: en filtreringssammenstilling for å filtrere bort partikler og avfall (eng. detritus) fra sjøvannet;

en første pumpe omfattende et innløp i fluid-kommunikasjon med filtreringssammenstillingen og et utløp;

en sulfatfjerningsenhet omfattende et innløp i fluid-kommunikasjon med utløpet til den første pumpen, et første fraksjonsutløp for sulfatredusert sjøvann og et andre fraksjonsutløp for sulfat beriket sjøvann, det andre fraksjonsutløpet er i fluid-kommunikasjon med filtreringssammenstillingen, slik at det sulfatberikede sjøvannet kan anvendes for å tilbakevaske minst en del av filtreringssammenstillingen ved bruk;

minst en andre pumpe omfattende et innløp i fluid-kommunikasjon med det første fraksjonsutløpet, og et utløp for det sulfatreduserte sjøvannet;

hvor

filtreringssammenstillingen omfatter en grovfiltreringsenhet og en finfiltreringsenhet, grovfiltreringsenheten arrangert oppstrøms for finfiltreringsenheten, hvor minst en del av sjøvannet from det andre fraksjonsutløpet blir ledet for å tilbakevaske minst et segment av finfiltreringsenheten, og grovfiltreringsenheten er i fluid-kommunikasjon med det andre fraksjonsutløpet via en ejektor, slik at strømmen av minst en del av det sulfatberikede sjøvannet er et drivfluid i ejektoren som tilveiebringer sug for å tilbakevaske grovfiltreringsenheten.

Den første og den andre pumpen kan være separate pumper, eller omfatte en sammenstilling som gir to forskjellige pumpetrinn. Hver pumpe eller pumpetrinn kan bli drevet av en felles motor, eller ved en separat motor for hver pumpe eller trinn. Når pumpene eller pumpetrinnene blir drevet av en felles motor kan de være koblet til nevnte motor ved en felles aksling, eller motoren kan drive en separat aksling for hver pumpe eller pumpetrinn.

I et annet aspekt av subsea-systemet ifølge oppfinnelsen, omfatter finfiltreringsenheten flere filterkassetter og det andre fraksjonsutløpet er i fluid-kommunikasjon med finfiltreringsenheten slik at det sulfatberikede sjøvannet kan tilbakevaske minst en filterkassett, mens de gjenværende kassettene er i drift. Anvendelsen av flere filterkassetter gjør det mulig å tilbakevaske bare en del av finfilterenheten av gangen, mens den gjenværende delen av finfilterenheten fortsetter å filtrere innkommende sjøvann, dvs. systemet forblir i drift under tilbakevaskingsprosedyren. En ytterligere fordel med å tilbakevaske bare deler av finfilterenheten av gangen blir tydelig når man tar hensyn til strømmen av sjøvann i systemet. I sulfatfjerningsenheten blir bare en del av det innkommende sjøvannet redusert i sulfater. Hvis man antar at omtrent 50% av det innkommende sjøvannet blir redusert i sulfater, er følgelig den tilgjengelige mengden av sjøvann for å tilbakevaske (det sulfatberikede sjøvannet som går ut av det andre fraksjonsutløpet) omtrent 50% av det innkommende sjøvannet. Ved for eksempel å tilbakevaske bare en tredjedel av finfilterenheten av gangen, noe som er tilfellet hvis finfilterenheten har tre filterkassetter og bare en blir tilbake vasket, kan tilbakevaskingsstrømmen av det sulfatreduserte sjøvannet være omtrent den samme som, eller til og med høyere enn, den normale strømmen gjennom filtret i den motsatte retningen. Ifølge oppfinnelsen kan det være mer enn tre kassetter, for eksempel seks, og med et system hvor to, eller tre eller fire blir tilbakevasket, mens de gjenværende er i drift. Systemet skal ha flere kassetter, og et rørsystem koblet til kassettene som gjør det mulig med normal filtreringsdrift og tilbakevasking av dem, med fleksibiliteten til å veksle mellom minst disse to modusene for hver kassett, uavhengig av de gjenværende kassettene, og muligens også en standby-modus. Dette gir muligheten til å ha noen kassetter i drift for å forsyne sjøvann til behandlingsenheten, mens en annen kassett, eller andre kassetter, blir tilbakevasket eller er i en standby-modus, for dermed å få en kontinuerlig drift av systemet for filtrering og behandling av sjøvann. Antallet kassetter og oppdelingen mellom kassetter i drift, tilbakevasking og mulig standby-modus vil være avhengig av behovet for injeksjons vann.

I subsea-systemet ifølge oppfinnelsen, er grovfiltreringsenheten i fluid-kommunikasjon med det andre fraksjonsutløpet via en ejektor, slik at strømmen av minst en del av det sulfatberikede sjøvannet er et drivfluid i ejektoren som gir sug for å tilbakevaske grovfiltreringsenheten. Vanlig anvendte grovfiltreringsenheter med et tilbakevaskingssystem krever et internt trykk i en tilbakevaskingslinje som er lavere enn det normale trykket inne i grovfiltreringsenheten for å oppnå en effektiv tilbakevasking. Med en linje som har trykk under normalt driftstrykk inne i filtreringsenheten vil fluid strømme inn i lavtrykkslinjen og man kan dermed få tilbakevasking gjennom filtret. Ved bruk av en ejektor, drevet av minst deler av strømmen av sulfatredusert sjøvann, blir det skapt et innsugingstrykk i tilbakevaskingslinjen til grovfiltreringsenheten, og man kan dermed oppnå det overnevnte kravet uten anvendelsen av for eksempel en elektrisk drevet pumpe.

I et annet aspekt av subsea-systemet ifølge oppfinnelsen er det andre fraksjonsutløpet i fluid-kommunikasjon med en subsea-kjølesammenstilling. Minst en del av det andre fraksjonsfluidet kan bli ledet til en subsea-kjølesammenstilling. Denne delen kan bli tatt ut av det foreslåtte systemet direkte etter behandlingsenheten. Den kan igjen bli introdusert til den andre fraksjonslinjen lengre nedstrøms. Alternativt kan hele den andre fraksjonen bli ledet gjennom et kjølesystem og deretter ledet inn i en tilbakevaskingssløyfe i filtreringssammenstillingen. Alternativt blir det andre fraksjonsfluidet anvendt for kjøling etter at det har blitt anvendt for å tilbakevaske finfiltreringsenheten og/eller grovfiltreringsenheten. I sin enkleste form blir det andre fraksjonsfluidet anvendt for å øke strømmen av kjølefluid som passerer en subsea-varmeveksler.

I et annet aspekt av subsea-systemet ifølge oppfinnelsen er kjølesammenstillingen koblet til en motor og/eller en omformer (eng. a variable speed drive)/transformator.

I et annet aspekt av subsea-systemet ifølge oppfinnelsen er kjølesammenstillingen koblet til en varmeveksler for prosessfluid.

I et annet aspekt av subsea-systemet ifølge oppfinnelsen blir den første pumpen og den minst ene andre pumpen drevet av en felles elektrisk motor. De forskjellige pumpene kan være en felles pumpe med forskjellige pumpetrinn på en felles aksling. Alternativt kan det være en pumpe koblet til den samme akslingen på motsatte sider av en felles motor.

I nok et annet aspekt av oppfinnelsen tilveiebringes en fremgangsmåte for subseafiltrering og -behandling av sjøvann, omfattende trinnene: å filtrere sjøvannet gjennom en filtreringssammenstilling; - å fjerne sulfat fra sjøvannet ved en sulfatfjerningsenhet;

å oppnå en første fraksjon med sulfatredusert sjøvann og en andre fraksjon med sulfatberiket sjøvann;

å tilbakevaske filtreringssammenstillingen ved bruk av minst deler av den andre fraksjonen med sjøvann, hvor minst en del av sjøvannet fra det andre fraksjonsutløpet blir ledet for å tilbakevaske minst et segment av finfiltreringsenheten, og grovfiltreringsenheten er i fluid-kommunikasjon med det andre fraksjonsutløpet via en ejektor, slik at strømmen av minst en del av det sulfatberikede sjøvannet er et drivfluid i ejektoren som tilveiebringer sug for å tilbakevaske grovfiltreringsenheten.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan omfatte trinnet å injisere den første fraksjonen med sjøvann inn i et reservoar.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan også omfatte trinnet med å bruke minst deler av den andre fraksjonen med sjøvann for å tilveiebringe kjøling til en subsea-kjølesammenstilling; kjølesammenstillingen kan være koblet til en motor, en omformer/transformator, og/eller en varmeveksler for prosessfluid.

Kort beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen er beskrevet i mer detalj ved referanse til de to utførelsesformene vist i de følgende figurer:

Fig. 1 viser en skjematisk tegning av et system egnet for en enkelt brønn.

Fig. 2 viser en skjematisk tegning av et system egnet for et flertall brønner.

Detaljert beskrivelse av tegningene

Et subsea-system egnet for en enkelt brønn er vist i fig. 1. Systemet tilveiebringer sjøvann av tilstrekkelig renhet til å bli injisert inn i et reservoar for å tilveiebringe trykkstøtte. Sjøvann blir først ført gjennom en grovfiltreringsenhet 1 for fjerning av partikler og materialer av større størrelse. Grovfiltreringsenheten 1 kan være enhver egnet enhet forutsatt at filtret er tilpasset for automatisk tilbakevasking for å minimere nødvendig vedlikehold. Trykkdifferansen, eller suget, som er nødvendig for å oppnå en tilfredsstillende tilbakevasking, blir tilveiebrakt ved en ejektor 2. Etter den grove filtreringen blir sjøvannet ført gjennom en finfiltreringsenhet 3 for fjerning av partikler med liten størrelse. Finfiltreringsenheten 3 omfatter flere parallelle filterkassetter 4; i denne spesifikke utførelsesformen omfatter finfiltreringsenheten tre slike kassetter. Enheten gjør det mulig å bringe kassettene 4 offline en av gangen for å tilbakevaske, mens de gjenværende kassettene forblir online. En førstetrinns pumpe 5 tilveiebringer det nødvendige trykket for drift av en sulfatfjerningsenhet 6. En trykkforskjell over pumpen 5 er vanligvis i størrelsesorden 20-50 Bar. Sulfatfjerningsenheten 6 omfatter nano-filtermembraner som holder tilbake sulfatene på høytrykkssiden, for slik å gi en første fraksjon med sjøvann som er redusert i sulfater, og som passerer gjennom membranen(e) og en andre fraksjon med sjøvann som er beriket i sulfater. Den første fraksjonen blir injisert inn i et reservoar ved en andretrinns høytrykkspumpe 7. Trykkøkningen tilveiebrakt av pumpen 7 er typisk i størrelsesorden 150-250 Bar, men andre økninger kan være nødvendig avhengig av de spesifikke reservoarbetingelsene. Den andre sjøvannsfraksjonen, som har en betydelig trykkforskjell i forhold til omgivelsene, blir deretter anvendt for å tilbakevaske finfiltreringsenheten 1, og videre å drive ejektoren 2. Ejektoren 2 tilveiebringer suget anvendt for å tilbakevaske grovfiltreringsenheten 1. Første- og andretrinns pumpene 5,7 vist i fig. 1 blir drevet av en felles elektrisk motor 8. Dette blir oppnådd ved enten å ha en drivaksling som er felles for begge pumpene, eller ved å ha to separate drivakslinger på motoren, hver aksling driver en separat pumpe. Løsningen med å ha en felles motor 8 er meget fordelaktig ved at det forenkler det nødvendige utstyret top-side til bare en VSD (eng. variable speed drive), og den krever bare en, eller en enklere, navlestreng (eng. umbilical) i motsetning til en løsning med to separate motorer.

Bruk av den andre fraksjonen med filtrert sjøvann for å tilbakevaske finfiltreringsenheten 3 er også mer effektivt enn å bruke ubehandlet sjøvann siden den ikke inneholder noen store urenheter som ville satt seg fast på den "rene" siden av det fine filtret 3.1 tillegg er det ikke nødvendig å anvende en tredje pumpe for å tilveiebringe trykk til tilbakevaskingen, da den andre fraksjonen allerede er trykksatt av førstetrinns pumpen 5. Følgelig blir den andre sjøvannsfraksjonen anvendt for å oppnå tilbakevasking av både den fine og den grove filtreringsenheten 1,3 uten å måtte ha noen ytterligere pumper eller motorer, mens den fortsatt har nok trykk til å bli tømt ut i sjøen. Disse trekkene er spesielt viktige i et subsea-miljø, hvor enhver ytterligere motor eller pumpe vil medføre betydelig økte kostnader, både ved installering og drift.

Et subsea-system liknende det beskrevet i fig. 1 er vist i fig. 2. Hovedforskjellen mellom de to systemene er at systemet i fig. 2 er egnet for å tilveiebringe sjøvannsinjeksjon til flere steder 11. Den første sjøvannsfraksjonen blir i dette tilfellet anvendt for å injisere flere brønner, og/eller injeksjonssteder, i en reservoarformasjon. For å oppnå det nødvendige trykk og volum er det nødvendig med flere høytrykks-andretrinnspumper 7.

I tillegg til å gi et fluid for tilbakevasking av finfiltreringsenheten 3, og å drive ejektoren 2 for å tilbakevaske grovfiltreringsenheten 1, kan minst deler av den andre sjøvannsfraksjonen anvendes for å tilveiebringe kjøling til forskjellig subsea-utstyr 10, slik som motorer og VSD/Transformatorer. Kjøling av slikt subsea-utstyr blir vanligvis oppnådd ved fri konveksjonsvarmeoverføring til omliggende sjøvann. Når man beregner de nødvendige dimensjonene til en varmeveksler anvendt for slik kjøling blir den reelle sjøvannsstrømmen som passerer varmeveksleren satt til null for å sikre at en tilstrekkelig kjøling blir oppnådd under enhver betingelse. En reell sjøvannsstrøm på null betyr at bevegelsen til sjøvannet kun er på grunn av selve varmeoverføringen. Selv en veldig liten økning av den reelle sjøvannsstrømmen, dvs. tvungen konveksjon, vil lede til en stor økning i varmeoverføring. Ved å bruke minst deler av den andre sjøvannsfraksjonen for å øke nevnte reelle strøm kan dimensjonene til varmevekslerne bli betydelig redusert.

Sulfatfjerningsenheten 6 er vist å ha flere uttakbare/utbyttbare kassetter eller stabler 9. Muligheten for å bytte ut individuelle kassetter/stabler som ikke virker som nødvendig er viktig i et subsea-miljø.

Claims (8)

1. Et subsea-system for filtrering og behandling av sjøvann, omfattende: en filtreringssammenstilling (1,3) for å filtrere bort partikler og avfall fra sjøvannet; en første pumpe (5) omfattende et innløp i fluid-kommunikasjon med filtreringssammenstillingen (1,3) og et utløp; en sulfatfjerningsenhet (6) omfattende et innløp i fluid-kommunikasjon med utløpet til den første pumpen (5), et første fraksjonsutløp for sulfatredusert sjøvann og et andre fraksjonsutløp for sulfatberiket sjøvann, det andre fraksjonsutløpet er i fluid-kommunikasjon med filtreringssammenstillingen (1,3), slik at det sulfatberikede sjøvannet kan bli anvendt for å tilbakevaske minst en del av filtreringssammenstillingen ved bruk; minst en andre pumpe (7) omfattende et innløp i fluid-kommunikasjon med det første fraksjonsutløpet, og et utløp for det sulfatreduserte sjøvannet; hvor filtreringssammenstillingen (1,3) omfatter en grovfiltreringsenhet (1) og en finfiltreringsenhet (3), grovfiltreringsenheten arrangert oppstrøms for finfiltreringsenheten, hvor minst en del av sjøvannet from det andre fraksjonsutløpet blir ledet for å tilbakevaske minst et segment av finfiltreringsenheten (3), og grovfiltreringsenheten (1) er i fluid-kommunikasjon med det andre fraksjonsutløpet via en ejektor (2), slik at strømmen av minst en del av det sulfatberikede sjøvannet er et drivfluid i ejektoren som tilveiebringer sug for å tilbakevaske grovfiltreringsenheten.

2. Et subsea-system ifølge krav 1, hvor finfiltreringsenheten (3) omfatter flere filterkassetter (4) og det andre fraksjonsutløpet er i fluid-kommunikasjon med finfiltreringsenheten (3) slik at det sulfatberikede sjøvannet kan tilbakevaske minst en filterkassett (4), mens de gjenværende kassettene er i drift.

3. Et subsea-system ifølge hvilket som helst av de forutgående krav, hvor det andre fraksjonsutløpet er i fluid-kommunikasjon med en subsea-kjølesammenstilling.

4. Et subsea-system ifølge krav 3, hvor kjølesammenstillingen er koblet til en motor og/eller en omformer/transformator.

5. Et subsea-system ifølge krav 3, hvor kjølesammenstillingen er koblet til en varmeveksler for prosessfluid.

6. Et subsea-system ifølge hvilket som helst av de forutgående krav, hvor den første pumpen og den minst ene andre pumpen blir drevet av en felles elektrisk motor.

7. En fremgangsmåte for subseafiltrering og -behandling av sjøvann, omfattende trinnene: - å filtrere sjøvannet gjennom en filtrerings sammenstilling (1,3) omfattende en grovfiltreringsenhet (1) og en finfiltreringsenhet (3), grovfiltreringsenheten arrangert oppstrøms for finfiltreringsenheten; - å fjerne sulfat fra sjøvannet ved en sulfatfjerningsenhet (6); å oppnå en første fraksjon med sulfatredusert sjøvann og en andre fraksjon med sulfatberiket sjøvann; og å tilbakevaske filtreringssammenstillingen (1,3) ved bruk av minst deler av den andre fraksjonen med sjøvann, hvor minst en del av sjøvannet fra det andre fraksjonsutløpet blir ledet for å tilbakevaske minst et segment av finfiltreringsenheten (3), og grovfiltreringsenheten (1) er i fluid-kommunikasjon med det andre fraksjonsutløpet via en ejektor (2), slik at strømmen av minst en del av det sulfatberikede sjøvannet er et drivfluid i ejektoren som tilveiebringer sug for å tilbakevaske grovfiltreringsenheten.

8. En fremgangsmåte ifølge krav 7, omfattende trinnet å bruke minst deler av den andre fraksjonen med sjøvann for å tilveiebringe kjøling til en subsea- kjølesammenstilling, kjølesammenstillingen kan være koblet til en motor, en omformer/transformator, og/eller en varmeveksler for prosessfluid.