CN107075933A - 用于控制海上强化采油注入压力的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制海底油井中的聚合物水溶液注入压力的装置(10)，所述装置能够被浸没，并且包括：长度为至少10米的管(8)式减压器(7)，用于插入两段主注入管线之间，所述减压器(7)具有小于主管线(2)内径的恒定内径，且适于吸收大部分的压降；紧挨着所述减压器(7)上游或下游定位的扼流器(6)，所述扼流器(6)适于将压力调节在0至10巴之间。

Description

用于控制海上强化采油注入压力的装置

在1973年(第一次石油危机)至1986年(石油价格跌至每桶10美元)期间，强化采油(EOR)在美国实现了工业化。2000年代，油价超过了每桶40美元，该技术被重新提上了议程。介于目前每桶100美元的行情，使用水溶性聚合物的强化采油技术能够在储备量的基础上增产10％至20％，因此已成为一种普遍使用的技术。

然而，这种技术在大型油田中的应用常常会遇到一些需要长期解决的技术问题。

已经实现了这种开发的装置之一即专利EP 2 203 245中描述的PSU(聚合物切削单元)。这些类型的水溶性聚合物由于键合和团聚效应而非常难以分散，因而会产生了需要很长时间溶解的凝胶或“鱼眼”。这些凝胶在注入地层时难免有所损伤。PSU不仅能够实现优异的分散性，所得的高溶解浓度还有助于缩小溶解槽和高压泵的尺寸，从而大大减少所需投资。

第二个问题是聚合物的机械降解。在油田，单个注水泵通常需要供应多个井。但是由于油田环境复杂，每个井的注入压力各不相同。为此，会在井口处安装被称为扼流器的控制或压力调节阀。聚合物溶液需经过基本和压降成正比的降解过程，才能通过该扼流器。大致上，每20巴的压降会使粘度降低20％。每50巴的压降会使粘度降低50％。当然，这样的降解取决于聚合物类型、粘度、溶解盐水组合物的浓度以及温度。因此需经过初步测试预测降解的幅度。

基于丙烯酰胺的聚合物现已广泛用于强化采油作业中。随着制造工艺的改进，这些聚合物的分子量也在提高。在20世纪80年代，由于原料中的杂质和所用的催化体系，聚丙烯酰胺的分子量不超过500至800万道尔顿。如今，这些聚合物的分子量已超过1000万道尔顿，达到2000万至3000万道尔顿。

聚丙烯酰胺的机械降解很大程度上取决于分子量。分子量越高，则聚合物越脆，被机械作用损坏的风险也就越高。高于1000万道尔顿的高分子量聚丙烯酰胺对这种机械降解非常敏感，且敏感程度远高于低分子量的聚丙烯酰胺。

为了克服这种机械降解问题，现已采用了多种解决方案。

通常，在通过扼流器之后，到达静态混合器之前，通过高压三缸泵在井口处泵制备10至20g/L的母液。但这套系统需要许多泵(每个井一个)和许多管道，增加了安装成本。

文献US 4,782,847描述了供聚合物溶液循环的导管。导管上较小截面的较短部分和较大截面的较长部分交替排列。这样即可通过产生湍流或涡流来降低聚合物溶液的压力，且不会导致聚合物降解。在每个限流处和每个导管直径增加的位置会产生湍流。因此需要实现限流处和扩张处的连续性以便通过控制湍流效应来减小压力。也可以添加阀。

该装置的概念是通过湍流减压，对于分子量较低，即小于800万道尔顿的聚合物特别有用且有效。因为这类聚合物对于限流处和连续扩张处引起的湍流并不特别敏感。

但是该装置不适于降低含有高分子量(高于1000万道尔顿)聚合物的聚合物溶液的压力。因为高分子量聚合物对由湍流引起的降解非常敏感。

另一种解决方案是产生最终浓度(500至3000ppm)的溶液，并通过专利US8,607,869中所述的线性减压器装置将其注入每个井中。

该线性减压器为模块化减压器，采用了四通阀分隔的3至6段管，能够实现1至5巴的精确压力调节，并且能够通过手动地或可编程控制器的方式来实现。该装置采用了外壳的形式，通过不锈钢管绕组开启或关闭来获得所需的压力。

从技术角度来看，聚合物溶液在管中的流动不会引起任何降解或仅在达到一定速度时引起少量聚合物的降解，这样的速度取决于管的直径、粘度、溶液的盐度，并且可以通过实验来确定。

压降受到管中聚合物溶液流速的影响，并且如图1和图2所示，受到流速的影响。换句话说，聚合物降解的多少，取决于流速，如图3所示。

通常，降解取决于流速和管的直径。通常认为，在10米内1巴的压降导致的降解可接受。然而，由于盐水的组成、聚合物的类型和浓度以及温度，可先进行测试以优化构成线性扼流器的管的直径和长度。

在图1至图3所示的情况和1英寸给定直径的条件下，为了使10米范围的压降小于或等于1巴，流速不应超过约7.5m/s，并且流量不应超过13m³/h。

通常，标准扼流器可以讲压力的压降控制在0至50巴的范围内，可对应于使用大约500米的线性减压器。

在表面使用时，由于可直接用于检查和维护作业，专利US 8607869中所述的线性减压器的功能非常好。当需要高度可靠性时，液体、电气或液压连接会变得极其重要。

但是，如果需要用于海底应用，这种类型的装置会变得非常复杂，特别是根据实际情况，需要由潜水员或机器人进行阀、线圈、测量装置的更换，阀开口的检查，表面连接和高难度维护的时候。

推测在海底安装时，这种类型的装置会在技术上导致一些额外的内在限制(控制和测量设备、阀的开口的确认、流速和压力的测量、可在维护时断开的模块、电子外壳、脐带缆等)。

因此，本发明的主体是简化该系统，以便为其海底应用提供所需的可靠性和简便性。

海底采油领域具有与陆地领域完全不同的建筑结构。这类工作通常由平台或船(FPSO)来处理(图4)。根据运营公司的不同，注入水或聚合物溶液的政策差异很大。

最简单的方法是为每个井配备一根注射管(提升管)。在这种构造中，通过注入安装在船或平台上的表面扼流器之后的高压管中来进行母液的稀释。这些输送管的直径通常为10英寸的量级，不会产生显著的压降。

但是在更广泛的领域中，每个FPSO或平台通常会将几根提升管连接到歧管，再由歧管通过扼流器的方式将流量分布到若干个井中，用于调节每个井的注入压力。

由于从扼流器处开始的压降为10至15巴，较高分子量(大于1000万道尔顿)的聚合物会发生明显的降解，因此该系统对于聚合物溶液是完全不利的。由于注入井之前聚合物就会发生降解，因此在5至10年的操作时间后，需要通过提升聚合物浓度来补偿强化采油工艺的效率损失，但同时也代表了极高的成本。

本发明在扼流器的上游或下游插入具有恒定内径且内径小于主管线的管式减压器，使得能够吸收所需的大部分压降，扼流器自身也使得可以将压力调节在0至10巴的范围内，也就是说在不会引起较高分子量聚合物的显著降解的范围内。

减压器(尺寸可以在地面上计算)与扼流器(作用是调节压力而不显著降解较高分子量的聚合物)的组合，可以解决上述的问题。这使得可以通过将聚合物的降解降低至小于10％而以完全可接受的方式限制聚合物的降解。例如，在需要减压为大约50巴的井上，减压器可以获得约45巴的压降，而扼流器则获得0至10巴。

因此，本发明的目的之一是用于控制海底油井中的聚合物水溶液注入压力的装置，所述装置能够被浸没，并且包括：

-管式减压器，该减压器长度为至少10米，有利地为10至1000米，用于插入两段主注入管线之间，并且该减压器具有恒定且小于主管线内径的内径，且能够吸收大部分的压降；

-紧挨着减压器上游或下游定位的扼流器，所述扼流器能够被调节，以实现在0至10巴的压力控制。

本发明的概念基于通过流体在层流中的循环来降低大部分压力，以及通过扼流器来产生最小的可能压降。

对于本发明而言重要的是，在减压器内产生的压降是层流而非湍流形式，以确保高分子量聚合物(超过1000万道尔顿)的低机械降解。因此，必须使湍流最小化。这一点可通过讲内径小于主管线的管数量限制为只有一根并通过选择长到足以以产生必要的压降的管长度来实现。

在优选实施例中，在溶液的流动方向上：

-在主注入管线和构成减压器的管之间，然后在扼流器和主注入管线之间的连接，

-或者在主管线和扼流器之间，然后在构成减压器的管和主管线之间的连接，

是锥形件的形式，使得可以最大程度地消除湍流。

换句话说，在具体实施例中，本发明的装置在每个自由端具有用于连接到对应于主注入管线的管段的锥形件。

根据本发明，减压器能够吸收至少60％，优选地至少80％，更优选地至少90％的压降。

在一个优选实施例中，构成减压器的管包括至少一个柔性管段，该管段使得能够在其安装期间更容易在水下环境中操作管，或者更容易由潜水员或水下机器人来对其进行维护。

有利地，减压器包括几个相同内径的柔性管段，通过能够容易附接的快速联接器而彼此首尾连接或连接到扼流器。被称为快速联接器的联接器是本领域技术人员所公知的，因为它们使得可以容易地将部件彼此连接，包括在诸如水下环境的困难操作条件下。它们也称为快速连接系统。

换句话说，构成减压器的管可以由通过快速联接件彼此连接的一个或多个管构成，并且其自身与其连接的管件的内部部分相同。因此，管的直径恒定的并且小于长度方向上的主注入管线直径。

柔性管选自由塑料、橡胶或复合材料组成的所有类型的柔性管。它们优选地由能够承受至少等于注入泵压力的高压的橡胶-织物或金属塑性复合材料组成。

在一个可选实施例中，线性减压器包括一个或多个相同内径的刚性金属管段，这些管段彼此串联并且直接或通过与刚性管之一内径相同的柔性管连接到扼流器。在这种情况下，刚性金属管段为螺旋卷绕形式。

在实践中，金属管由不锈钢制成，特别是被表面硬化(真空氮化，Kolsterising)且具有高机械强度和高耐腐蚀性的“超双相”奥氏体-铁素体钢或奥氏体钢。

减压器位于扼流器的下游或上游。根据本发明的压力控制装置位于歧管的下游。

构成减压器的管的内径在1/2英寸和4英寸之间，优选在1/2英寸和3英寸之间。该直径与主注入管线的内径相比较小，主注入管线的内径包括8到20英寸之间，优选地包括8到15英寸之间，有利地为10英寸的数量级。

换句话说，具有10英寸数量级内径的管中的压力降低在本发明的上下文中被认为是微不足道的，而具有1/2英寸至4英寸直径的管中的压降则较为显著但不引起聚合物的显著降解。这是因为在主注入管线中，速度为2至3米/秒的数量级，而在线性减压器的管中其速度达到6至14米/秒。

构成减压器的管的长度在10至1000米之间，优选在50至600米之间。

本发明的另一个主体是一种用于降低包含分子量大于1000万道尔顿的丙烯酰胺聚合物的溶液的注入压的方法，该注入压取决于使用海上强化采油工艺的上述装置的井的断裂压。

更具体地，根据本发明的方法包括以下步骤：

-通过从主注入泵的压力中减去井口注入压，计算所需的压降；

-通过地面试验，确定减压器的组成管的尺寸和性质，使得在聚合物水溶液原位注入的条件下，压降等于所需的压降减去由扼流器提供的压降；

-浸入然后将减压器连接到扼流器，并将由此获得的压力控制装置插入两段浸没的注入主管线之间；

-将聚合物水溶液注入主管线中；

-通过扼流器的打开或关闭来调节压降；

-任选地通过减小或延长构成减压器的管的长度来控制压降。

术语“尺寸”理解为管的总长度，作为提醒，段的数量和它们的内径在各段之间是相同且恒定的。术语“性质”应理解为是指管段组合物材料。

如上文所论述，分子量越高，则聚合物越脆，被机械作用损坏的风险也就越高。在根据本发明的方法中，聚合物溶液包含分子量大于1000万道尔顿，优选地大于1500万道尔顿，更优选地大于1800万道尔顿的丙烯酰胺聚合物。考虑到当前生产工艺的技术限制，分子量通常不超过3000万道尔顿。然而，根据本发明的方法将适用于分子量大于3000万道尔顿的聚合物。

在注入的聚合物溶液中分子量大于1000万道尔顿的丙烯酰胺聚合物的量在20ppm至5000ppm之间，优选地在50ppm至3000ppm之间。

优选地从表面控制扼流器。

根据本发明的压力控制装置优选地位于歧管的下游、扼流器之前。

在根据本发明的方法中，减压控制步骤优选地以减压器吸收至少60％的压降，优选地至少80％，更优选地至少90％的方式执行。所述步骤优选地以使得扼流器将压力减小到小于10巴，优选地1至5巴之间的方式执行。

扼流器使得压力略微降低，因此聚合物的降解最小。聚合物的降解被认为，在5巴的压降下为约2％，在10巴的压降下为约5％。

在操作期间，所需的压降可能会变化。

在根据本发明的方法中，可以靠平台或FPSO船远程控制扼流器的打开或关闭来进行压力控制。还可以借助潜水员或水下机器人通过添加或移除管段以增加或减少管的长度来进行。由于管段是柔性的，并且采用了快速连接件，这种处理甚至会更容易。

本领域技术人员将能够针对每种特定情况调整装置和方法。

通过以下实施例，接合附图，本发明及其产生的优点会描述得更加清楚。

图1是曲线图，示出了对于给定聚合物溶液，在具有107米的长度和可变直径(在半英寸至两英寸之间变化)的管中，压降与流速的关系。聚合物溶液含有1000ppm的分子量约为2000万g/mol的丙烯酰胺/丙烯酸钠共聚物(70/30摩尔％)，该共聚物溶解在含有5g/l的NaCl、0.113g/l的MgSO₄以及0.096g/l的CaCl₂的盐水中。

图2是曲线图，示出了使用与图1中相同的聚合物溶液和相同的管，压降与流速的关系。

图3是曲线图，示出了使用与图1中相同的聚合物溶液和相同的管，且该相同聚合物压降已给定的情况下，聚合物降解百分比和流速之间的关系。聚合物的降解与聚合物溶液的粘度损失成正比。

图4是浮式采油、存储和卸载(FPSO)单元和海底注入结构的示意图。

图5是与主管线串联连接、歧管下游的压力控制装置的示意图。该装置由具有三个管段的线性减压器和扼流器组成；所有部件均通过快速连接件连接。

装置实例

图4示出了常规的海上二次采油装置。它包括浮式采油、存储和卸载(FPSO)单元。平台装备有管(提升管)2，聚合物溶液通过主注入泵将聚合物溶液注入其中。每个管旨在供应歧管或分配器3，从歧管或分配器处延伸出与井5一样多的管4。供应歧管的管的直径与离开歧管的管4的直径相同。实际上，直径为10英寸数量级。在现有技术的装置中，通过安装到每条管线4中的扼流器6来获得每个井5处的压降。如上所述，通过降低压力，这些扼流器在仅仅注入水时不会出现问题，但注入聚合物水溶液时会使聚合物降解。

为了克服该缺点，如图5所示，本发明在每个扼流器连接了减压器。计算减压器的特性，使得扼流器产生的注入压降的量不超过0至10巴。本发明的装置定位在歧管3的下游、由主管线2延伸出的每根管4上。在图5中，本发明的控制装置10由减压器7和扼流器6组成。例如，减压器7本身由三个通过快速联接件9彼此连接并且还与扼流器6和主管线4连接的管段8组成。管8的内径小于管4的内径，具体为小于4英寸。管8的内径也与快速联接件的内径相同。扼流器6再通过快速联接件9连接到位于下游的主注入管线4，并向井5供应聚合物溶液。在扼流器6和井5之间的管4的内径与其它主管线部分的内径相同。

具体实施方案

在海上油田，由分子量为2000万的70/30丙烯酰胺/丙烯酸钠共聚物乳液制备浓度为2000ppm的聚合物溶液，并通过提升管、歧管和压力调节扼流器将其注入一组井中。粘度为200厘泊。

注入泵的压力为115巴，并且选择井口注入压为77巴的管线。扼流器和可忽略的管线压降使压力降低了38巴。

在该井中测量的流速为约91m³/h，并且压力/体积已经实际稳定超过一年。

进行地面试验以选择通过将2000ppm的聚合物溶解到以下组合物的盐水中所需的线性减压器管段的尺寸：

在各种柔性管上进行试验，选出内径为2英寸的4SP-32橡胶管。用于模拟注入压的工作压为165巴，破裂压为660巴(Phoenix-Beattie牌)。

管中液体的速度为12.5米/秒，并且在100米(测试长度)上的压降为8.3巴。由于小于每10米长度1巴的压降，这对于目标而言是完全可接受的。

选择在扼流器前安装一个长度为450米的总线性减压器管段，其中包括三根50米长的管段和一根300米的管段，全部由快速联接件组装。

注入聚合物溶液时，井中的初始压力下降至77巴，但由于聚合物的减阻效应，又回升至79巴。在扼流器完全打开的情况下，流速为93m³/小时，但在闭合状态下，扼流器中的压降增加10巴且聚合物的降解很少。该扼流器稍微关闭以产生2巴的压降，这使得可以实现77巴注入压的目标。

如果所需的压降变化很小，则很容易远程控制扼流器的打开或关闭。

如果压降相对于所需的压降变化较大，则可以移除或添加一根或两根短的50米段，每段对应于约4巴的压降。

地面测试表明，在100米LPR上，降解率为1.2％，即在给定的测量精度的情况下几乎为零。

因此实现了装置的目的。

Claims (13)

1.一种用于控制海底油井中的聚合物水溶液注入压力的装置，所述装置能够被浸没，并且包括：

-长度为至少10米的管式减压器，用于插入两段主注入管线之间，并且所述减压器具有小于主管线内径的恒定内径，且能够吸收大部分的压降；

-紧挨着所述减压器上游或下游定位的扼流器，所述扼流器能够被调节，以实现在0至10巴的压力控制。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述减压器的管包括至少一个柔性管段。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述减压器包括几个相同内径的柔性管段，所述柔性管段通过易于附接的快速联接器而彼此首尾连接或连接到所述扼流器。

4.根据权利要求2和3中任一项所述的装置，其特征在于，所述柔性管由能够承受至少等于注入泵压力的压力的橡胶-织物或金属塑性复合材料组成。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述减压器包括一根或多根具有相同内径的刚性金属管段，所述金属管段彼此首尾相连，并且直接或通过与所述刚性管之一内径相同的柔性管连接到所述扼流器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述金属管是螺旋卷绕的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，构成所述减压器的所述管的内径在1/2英寸至4英寸之间。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述管的长度在10至1000米之间。

9.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，在每个自由端处，所述装置具有用于连接到对应于所述主注入管线的管段的锥形件。

10.一种用于降低包含分子量大于1000万道尔顿的丙烯酰胺聚合物的溶液的注入压的方法，所述注入压取决于在海上强化采油工艺中使用权利要求1至9中任一项的主题的所述装置的所述井的压力。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

-通过从所述主注入泵的压力中减去井口注入压，计算所需的压降；

-通过地面试验，确定所述减压器的所述组成管的尺寸和性质，使得在所述聚合物水溶液原位注入的条件下，所述压降等于所需的压降减去由所述扼流器提供的压降；

-浸入然后将所述减压器连接到所述扼流器，并将由此获得的压力控制装置插入两段浸没的注入主管线之间；

-将所述聚合物水溶液注入所述主管线中；

-通过所述扼流器的打开或关闭来调节所述压降；

-任选地通过减小或延长构成所述减压器的所述管的长度来控制所述压降。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，由所述扼流器提供的压力控制在0至10巴之间，优选地在3至5巴之间。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过潜水员或水下机器人添加或移除一根或多根与已有管段相同内径的附加管段，以便改变由所述线性减压器提供的所述压降。