Sikkert frem under havet fra Nini, Cecilie og Stine

Transkript

1 Sikkert frem under havet fra Nini, Cecilie og Stine Der er brug for teknologisk nytænkning, når morgendagens oliefelter skal indvindes. En løsning er at bruge ubemandede installationer med tie-in til eksisterende produktionsplatforme. Det giver en række tekniske udfordringer som f.eks. ustabilt multifaseflow og uønsket voks- og hydratdannelse Af Lars Stampe, Rambøll, Mads Østerbye og Kasper Korsholm Østergaard, DONG E&P Foto: Niels Åge Skovbo. Figur 1. Den ubemandede satellitplatform Cecilie ligger ca. 240 km vestnordvest for Esbjerg. Der bliver mindre olie i Nordsøen for hver dag, der går. Og den olie, der er tilbage, bliver sværere at hente op. Det skyldes, at de resterende akkumulationer er så marginale, at de hver for sig ikke kan betale for en traditionel udbygning. Derfor er der brug for nytænkning, når morgendagens felter skal indvindes. En løsning, der benyttes i stigende grad, er simple ubemandede installationer (satellitter) med opkobling, tie-in, via rørledninger på havbunden til eksisterende bemandede produktionsplatforme. Vedligeholdelsesfrie undersøiske installationer med lignende tie-ins er også et anvendt alternativ. Denne mulighed opstår, fordi aldrende platforme pga. faldende produktion begynder at have ledig produktionskapacitet i procesanlæggene. Felterne Nini, Cecilie og Stine, der blev idriftsat i 2003/2004, er placeret i den danske del af Nordsøen. De er typiske eksempler på sådanne udbygninger. Hver for sig var produktionspotentialet for begrænset til at give en økonomisk rentabel indvinding, men ved at koble dem op til den eksisterende produktionsplatform, Siri, blev der økonomi i at producere de marginale felter samt økonomi i at holde Siri i drift i over en længere tidshorisont. Indvindingsstrategien baserede sig på at ubehandlede reservoir-fluider, via lange undersøiske rørledninger, blev sendt til behandling og processering på Siri. Der var også behov for at sende gas og vand tilbage til satellitfelterne for at give trykstøtte til reservoirer og løftegas til brøndene og dermed øge indvindingsgraden. dansk kemi, 86, nr. 9,

2 Denne indvindingsstrategi gav en række udfordringer til de involverede kemi- og procesingeniører bl.a.: - Ustabilt multifaseflow (slugging) - Risiko for voksaflejringer og hydratdannelse - Intern korrosion af rørledningerne - Aflejring af uorganiske salte (scaling) - Asphalteneaflejringer De væsentligste udfordringer og hvordan de blev løst beskrives nærmere i denne og en efterfølgende artikel. Men først en lille beskrivelse af installationerne, som de ser ud i dag. Produktionsplatform og udbygningerne Produktionsplatformen Siri er placeret på ca. 60 m vanddybde 200 km vest for den jyske kyst. Siri blev idriftsat i 1999 med Statoil som operatør. DONG købte sammen med partnere Statoil ud af licensen i 2002 og har siden været operatør på licensen. Ved overtagelsen producerede Siri udelukkende fra produktionsbrønde, der var ført direkte op på platformen uden krav om fluid-transport gennem rørledninger. Med udbygning af Cecilie-, Nini- og Stine-felterne blev der installeret en række rørledninger mellem disse felter og Siri, som skitseret i figur 2. Der er tre rørforbindelser mellem hver installation og Siri: - Multifaserørledning til transport af brøndproduktion til Siri - En rørledning til transport af løftegas til installationen - En rørledning til transport af injektionsvand til installationen De fleste udfordringer i forbindelse med at sikre et stabilt flow forekommer i forbindelse med multifase- og løftegasledningerne. Figur 2. Rørforbindelser fra de ubemandede satellitter Cecilie, Nini og den undersøiske installation Stine. Ved tie-in af satellitterne blev der samtidig iværksat et omfattende modifikationsarbejde på Siri med det formål at udbygge og optimere modtage- og behandlingsfaciliteter, etablere gastørringsanlæg og udbygge gaskompressionskapaciteten. Udfordringer og løsninger Multifaseflow (slugging) Med tie-in af satellitterne Nini og Cecilie til den eksisterende produktionsplatform Siri var der både tekniske og økonomiske begrænsninger i de mulige modifikationer. Det var derfor meget kritisk at sikre et stabilt flow gennem 19 dansk kemi, 86, nr. 9, 2005

3 multifaserørledningerne, og hvis dette ikke var muligt, at dæmpe og kvantificere eventuel hydraulisk ustabilitet. Multifaserørledninger fungerer i nogen grad som separationstanke, hvor vandet flyder udsepareret under olie og gas. Pga. forskelle i viskositet, overfladespænding og massefylde udsættes de forskellige faser for varierende strømningsmodstand. Det medfører, at der, indtil en stabil tilstand opnås, akkumuleres væske i rørledningen, hold-up, og at de tre faser strømmer med forskellig hastighed. Afhængig af bl.a. fordeling af væske og gas, den gennemsnitlige flowhastighed og rørledningens geometri kan der opstå forskellige flowmønstre. I en horisontal rørledning, der transporterer meget væske og lidt gas ved lav strømningshastighed, er der typisk lagdelt og stabil strømning i rørledningen. Ved højere flowhastigheder og ved små geometriske variationer kan der forekomme bølgedannelse indeni røret. Hvis bølgetoppene når toppen af rørvæggen, bevirker en selvforstærkende effekt, at der dannes en væskefyldt sektion i rørledningen. Ligeledes kan der dannes sektioner, hvor der kun er gas. Dette fænomen, der betegnes hydrodynamisk slugging, kan lede til store variationer i strømning fra rørledningen og kan give store problemer ved modtagefaciliteterne, der typisk er dimensionerede til begrænsede strømningsvariationer. Ejerandele Nini: 40% ejes af DONG, 30% af Denerco Oil og 30% af RWE Dea. Cecilie: 20% ejes af DONG, 37% af Denerco Oil, 24% af Denerco Petroleum og 17% af RWE Dea. Siri og Stine: 50% ejes af DONG, 20% af Denerco Oil og 30% af Paladin. DONG E&P er operatør af alle fire felter. Helt specielle hydrauliske forhold gør sig selvsagt gældende i den vertikale del af rørledningen (stigrør), der går fra havbunden til produktionsplatformen, hvor slugging kun sjældent kan undgås. Her vil der kunne opstå såkaldt terræn-induceret slugging, der genereres af tyngdekraftens forskellige påvirkninger af de tre faser, der jo har forskellig massefylde. Som en del af detailprojekteringen af Cecilie-, Nini- og Stine-udbygningerne blev der udført omfattende hydrauliske analyser på basis af de estimerede produktionsrater. Selvom der ikke er store geometriske havbundsvariationer, var det ikke muligt at undgå slugging i rørledninger og stigrør under normal drift og specielt ikke under opstart efter en nedlukning, hvor rørledningerne frigiver store mængder væske og gas i separate slugs. Sammenholdt med de begrænsede modtagefaciliteter på Siri var det en udfordring, der skulle løses. Gennem omfattende litteraturstudier og korrespondance med andre operatører blev en simpel, men ikke gennemtestet, mulig løsning fundet. Hvis det ved kontinuerlig injektion af gas er muligt at nedbryde de dannede væskeslugs i stigrøret, kan det dæmpe flowvariationerne så meget, at der kan sikres stabile forhold i produktionssystemet. Som back-up til dette system blev der installeret en kontrolventil opstrøms modtagefaciliteterne. Dette er en mere gennemprøvet løsning og med korrekt brug af denne ventil kan yderligere dæmpning opnås. Baseret på opdaterede hydrauliske analyser blev ideen eftervist og indarbejdet i designet. Voks En anden væsentlig udfordring var risikoen for voksaflejringer og hydratdannelse. Voks i oliesammenhæng er en fast fase, der primært består af normalparaffiner med kulstofkæder længere end 10. Voks kan på mikroskopisk niveau være krystallinsk eller amorft. Opløseligheden af voksmolekylerne falder med faldende temperatur, hvilket kan resultere i voksdannelse i undersøiske rørledninger. Da rørvæggen normalt er det koldeste punkt i en undersøisk rørledning, med omgivende havbundstemperaturer på omkring 4 C, afsættes dele af voksen på rørvæggen i stedet for at flyde med strømmen. Det tilstopper i værste fald rørledningerne og forhindrer strømning totalt. Før det går så galt vil en kraftig voksafsætning i rørledninger kunne reducere ledningens kapacitet og øge strømningsmodstanden betragteligt. Man benytter WAT (Wax Appearance Temperature) og WDT (Wax Disappearance Temperature) som udtryk for, hvornår voks dannes under køling, og hvornår voks smelter under opvarmning. Der er væsentlig forskel på WAT og WDT. Det diskuteres om denne hysterese-effekt er reel, eller om den skyldes, at systemet ikke når ligevægt under forsøgene. Faktum er, at specielt WAT giver et fornuftigt praj om, ved hvilken temperatur voksudfældning kan blive et problem i en undersøisk rørledning. Voks kan fjernes mekanisk ved at sende en rensegris gennem røret med passende mellemrum. En rensegris er typisk lavet af hård gummi og virker ved at skrabe voks, scale, sand o.l. med sig til modtageplatformen. En anden mulighed er at undgå voksafsætning ved at tilsætte voksdispergeringsmidler, der sikrer, at voksen transporteres med væsken i stedet for at afsættes. Reservoir-fluiderne fra Nini, Cecilie og Stine ligger i WATintervallet C, hvilket er langt over havbundstemperaturen. For at undgå voldsomme voksudfældninger var det derfor i nogle tilfælde nødvendigt at isolere multifaseledningerne, inden de blev gravet ned i havbunden. Derved kunne voksafsætningen håndteres ved at sende rensegrise regelmæssigt gennem ledningerne. I starten af felternes levetid, hvor der næsten kun produceres olie med lav varmekapacitet ift. formationsvand, bliver ledningerne dog for kolde hen mod Siri, til at voksafsætningen kan håndteres med rensegrise alene. Derfor er der også mulighed for at tilsætte voksdispergeringsmiddel på produktionsmanifolderne ved indløbet til rørledningerne. Gashydrater Hvor voks er en fast fase, der relateres til olie alene og til den tunge ende af olien, dannes gashydrater ved en kombination af vand og den lette ende af olie eller naturgas. Gashydrater er medlem af klatratfamilen og dannes ved at vand i islignende AAS ICP/MS UV-VIS LC/MS GC/MS FT-IR/NIR Ny ICP-MS? - Så er det også os! Gydevang Allerød dansk kemi, 86, nr. 9,

4 af en hydratinhibitor, f.eks. methanol, under opstart blev overvejet i designfasen. Det blev dog hurtigt klart, at methanol skulle tilsættes i så store mængder, at det ville være svært at håndtere på ubemandede satellitter. I stedet valgtes en operationel løsning, hvor trykket i ledningerne reduceres ved langvarig nedlukning (figur 2). Herved kan ledningerne startes op uden for hydratzonen. Ulempen ved lavere tryk er, at transportkapaciteten reduceres, men det opvejes af sparede omkostninger til injektion af hydratinhibitorer. Hydrater kan også dannes i løftegasledninger, da gas, separeret på traditionel vis fra olie og formationsvand i et separationstog, indeholder tilstrækkeligt med vand til at kunne danne hydrater, når temperaturen falder i lange undersøiske rørledninger. Her hjælper isolering af ledningerne ikke, da varmekapaciteten i gassen er for lille til at opveje varmetabet til omgivelserne. I stedet valgte man at installere et gastørringsanlæg, der fjerner vand fra gassen vha. af glycolabsorption, før gassen eksporteres til ledningerne. Gastørreanlægget er tidligere præsenteret i Dansk Kemi [1]. I artikel 2, der bringes i Dansk Kemi nr. 10, kan man læse om korrosion af rørledninger og aflejring af uorganiske salte (scaling). Figur 3. Operation af multifaseledninger uden for hydratområdet. gitterstrukturer omslutter lette gasmolekyler (f.eks. methan, ethan, propan og butan). Gashydrater kan i modsætning til is dannes ved temperaturer over frysepunktet, hvis trykket er tilstrækkeligt højt. Det er det i rørledninger, og som tommelfingerregel siger man, at hydratfri transport kun kan sikres, hvis temperaturen er over 25 C. Hydratkrystallerne kan i lighed med voks blokere fuldstændigt for transport, men i modsætning til voksudfældning kan hydrater dannes meget hurtigt, hvis de rette temperaturer og tryk er til stede. Isoleringen og nedgravningen af multifaseledningerne i Nini-, Cecilie-, og Stine-udbygningerne hjælper til at sikre, at ankomsttemperaturen på Siri er tilstrækkelig høj til at drive ledningerne uden for hydratområdet. Ved længerevarende nedlukninger af ledningerne falder temperaturen dog så meget, at der dannes hydrater, der kan forhindre en sikker opstart. Tilsætning adresser: Lars Stampe: Lrs@ramboll.dk Kasper Korsholm Østergaard: Koe@dong.dk Mads Østerbye: Moe@dong.dk Reference 1. Østergaard, Dansk Kemi, 10(14), dansk kemi, 86, nr. 9, 2005

5