專利名稱：新型水合物基系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
在此描述的本發(fā)明具體屬于石油工程、油和氣體輸送以及深海開發(fā)的領(lǐng)域，但是具有這些領(lǐng)域以外的應用范圍。
背景技術(shù)：
氣體水合物是作為水和適當大小的分子，例如C1、C2、C3烴的物理結(jié)合或上述各種結(jié)合的結(jié)果形成的結(jié)晶化合物。已知包含與適合的″客體″物質(zhì)一起結(jié)合的適合的不同于水的″主體″物質(zhì)的其它組合物。包括上述氣體水合物的這些客體/主體組合物通常稱為″包合物″。
它們類似于冰，但是與冰不同的是，它們可以在大大高于冰點的溫度形成。
防止源于氣體水合物形成的問題在油氣生產(chǎn)和輸送中是主要的流動保障難題。
對于降低與氣體水合物形成相關(guān)的風險，存在幾種可獲得的選擇，特別是包括脫水(從系統(tǒng)中除去水)，注入熱力學和/或低劑量的水合物抑制劑(動力學抑制劑和抗附聚劑)以及系統(tǒng)的絕熱或主動加熱(active heating)，以將系統(tǒng)操作條件保持在水合物穩(wěn)定區(qū)以外。
問題在于所有這些選擇都是昂貴的。此外，在一些情況下，例如在深?；蜷L牽索操作中，沒有通用的解決方案。
工業(yè)上一直將水視為在氣體水合物形成中的問題之源，因而一直試圖除去或減少水相(例如，通過使用井下和/或海底水分離器)。
所有現(xiàn)有的水合物流動保障概念均基于減少或除去水，或者防止或延遲水合物形成。
然而，近來，引入了稱為′冷流′的新術(shù)語，其中目的是在沒有任何熱處理，如絕熱或主動加熱的情況下能夠輸送油或氣體，從而降低深海管線安裝的成本。
在US 6,774,276中描述了′冷流′方法。在描述的方法中，在烴流體中有意形成氣體水合物以根據(jù)特定的方法，將所述流體中存在的水(液體或蒸汽)轉(zhuǎn)變成固體。從而以固體水合物的形式除去或固定在烴流體(典型為油/氣/水混合物)中存在的水。British Petroleum通過挪威的SINTEF支持了一個項目工程，從而研究這種技術(shù)。他們的想法基于當油是連續(xù)相時，使用泵和再循環(huán)回路，使系統(tǒng)中存在的水合物和油的一部分再循環(huán)回到上游。該想法在于，再循環(huán)的水合物顆粒提供成核位置，并且冷卻的流體(油)提供吸熱(heat sink)，以促進不粘(干燥的)的水合物形成。據(jù)認為，從內(nèi)到外(即，在預形成的水合物顆粒周圍)形成的水合物是干燥的并且不相互粘附，從而能夠在不產(chǎn)生通常與氣體水合物形成相關(guān)的堵塞問題的情況下流動。這些干燥的水合物聲稱是以連續(xù)油相的形式輸送的。然而，從實用的觀點出發(fā)，在以下方面存在許多問題，從再循環(huán)系統(tǒng)和必需的再循環(huán)流體的量的設(shè)計，到隨同處理啟動和關(guān)閉一起，克服流體系統(tǒng)和管道通過量的變化。此外，從文獻中可獲得的描述中，似乎系統(tǒng)局限于具有較低的水餾分和低的氣/油比率的油/冷凝物系統(tǒng)，并且可能不能應用于鹽水系統(tǒng)，因為將所有水轉(zhuǎn)化為水合物，即形成干燥的水合物是不可能的。在(http://www.ntnu.no/gemini/2003-06e/28-31.htm和http://remotemonitoringconference.com/pdf/session2_1.pdf)也論述了該工作。
避免水合物問題的備選方法包括使用抗附聚劑(AA)化學品。抗附聚劑化學品用于防止形成的水合物顆粒聚集成更大的顆?；蛘哌€形成可能堵塞管線的固體堵塞物?？垢骄蹌┰诠I(yè)上并不陌生。它們在許多篇出版物中得到詳述?？垢骄蹌┓椒ㄊ加贐ehar等[Behar，E.，Sugier，A.，Rojey，A.，″Hydrate Formation and Inhibition in Multiphase Flow″，在1988年11月3日的BHRA Conference Operation Consequences of Hydrate Formation andInhibition Offshore，Cranfield UK上提出]和Frostman L.M.[(2000)，″Anti-Agglomerant Hydrate Inhibitors for prevention of Hydrate plugs in deepwatersystems″，Annual Technical Conference and exhibition in Dallas，Texas，10月1-4，F(xiàn)rostman L.M.，Przybylinski J.L.，(2001)，″Successful applications ofAnti-Agglomerant Hydrate Inhibitors″，SPE International Symposium onOilfield Chemistry，Houston，Texas，2月13-16]。
已經(jīng)將AA用于防止氣體水合物形成，但只是在含有液體烴相(通常大子40％)的系統(tǒng)中。需要有液體烴相的存在，以使用現(xiàn)有的AA，因為它們用于防上由水合物導致的堵塞的機理圍繞水的分散。
結(jié)果，AA通常不用于干燥的天然氣系統(tǒng)或含有少量烴相的系統(tǒng)。這可能歸因于在氣相系統(tǒng)中少的水餾分，因此熱力學和/或動力學水合物抑制劑成為更具成本效益的選擇。此外，現(xiàn)有的抗附聚劑在其中含有有限的烴相并且水是控制反應物的系統(tǒng)中可能不起作用。
與烴流體的流動和輸送相關(guān)的另一個問題是稱為′段塞′的現(xiàn)象。在多相流體如油/氣/水混合物的輸送中，可能發(fā)生分流，即，在由氣囊分隔的管道中可能形成一個或多個液相的段塞。這種不穩(wěn)定和間歇流動存在許多危險，并且可能嚴重影響烴生產(chǎn)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。例如，因為液體段塞的輸送需要在所述段塞后面的更大壓力以使它保持移動，所以在液體段塞后面的氣相被壓縮。這種壓縮氣體到達管線的出口或生產(chǎn)平臺，產(chǎn)生大的氣體波動，從而威脅到加工設(shè)備的可靠和安全的操作。
在油氣的輸送中的另一個主要問題是防止在關(guān)閉和啟動過程中的氣體水合物問題。在許多情況下，氣體水合物堵塞的主要風險出現(xiàn)在當管線溫度下降至很低的溫度時的關(guān)閉過程中和當將系統(tǒng)加壓以開始流體流動時的啟動過程中。
本發(fā)明的一個目的是提供用于輸送包含氣體的流體的方法，所述方法避免或減少上述問題的至少一些。
本發(fā)明的另一個目的是提供包合物的新應用。
本發(fā)明的另一個目的是通過將穩(wěn)定的水合物形成為油或在水漿液中的水合物，防止在關(guān)閉和/或啟動過程中相關(guān)的氣體水合物問題或?qū)⑵錅p到最少，從而將與水合物堵塞相關(guān)的風險減到最低。
發(fā)明描述根據(jù)第一方面，本發(fā)明提供一種通過包含管線的輸送系統(tǒng)輸送包含包合物形成氣體/化合物的流體的方法，所述方法包括如下步驟a)使所述流體暴露于包合物形成溫度和壓力條件下；
b)引入足夠的包合物形成主體，以將所述氣本/化合物基本上全部轉(zhuǎn)化為包合物并且形成可流動漿液；和c)將得到的可流動漿液通過輸送系統(tǒng)輸送到目的地。
應當理解可以根據(jù)服從所述方法的輸送系統(tǒng)和流體，以任何適宜的順序或甚至同時地進行所述方法的最初兩個步驟。例如，在輸送系統(tǒng)的管線是用于烴輸送的典型海底管線的情況下，包合物是水合物。水合物形成溫度和壓力條件通?？梢源嬖谟诠芫€中?？梢栽跓N流進入管線的冷卻、加壓環(huán)境中之前，或者備選地，在它處于管線中之后，將水加入(在必需時，因為主要目的是將大部分或全部氣相轉(zhuǎn)化成水合物和/或形成可輸送的漿液)到烴流中?？梢詫⑵渌黧w，如液體烴加入到系統(tǒng)，特別是氣體和/或高的氣/油比率(GOR)系統(tǒng)中，以降低含有或沒有AA的水合物漿液的粘度。
本領(lǐng)域技術(shù)人員應該容易知道如何使用適當?shù)臏囟群蛪毫l件以使水合物形成，但是例如，在針對讀者的US 6,774,276中描述了適合的條件/方法。
通過將烴流系統(tǒng)中的全部或大部分氣體轉(zhuǎn)化為水合物，結(jié)果產(chǎn)生多個優(yōu)點。烴流體的氣體組分的體積大大降低。因為在系統(tǒng)中基本上沒有游離氣體殘留，所以幾乎消除與烴流體的輸送，特別是沿管線輸送的過程中意外的水合物形成相關(guān)的問題。
還消除或大大降低在多相(氣體/液體)流動中段塞的可能性。在降低由現(xiàn)在的烴生產(chǎn)系統(tǒng)中的段塞引起的不穩(wěn)定性的段塞流捕集器和其它裝置中，現(xiàn)在正投資有影響的CAPEX。作為減少/消除氣相的結(jié)果，各種殘留相的密度很相似，從而導致段塞問題的減少。
為了輸送烴流體，形成的可流動漿液可以具有在本質(zhì)上基本上為烴的液體中分散的水合物的性質(zhì)。備選地，它可以是在基本上為水的液體中分散的水合物。在一些情況下，所述液體是包含顯著量的水和烴的混合物。
可以根據(jù)輸送的含烴流體的組成，選擇漿液類型。在烴混合物包含大部分液體烴和較少量氣體的情況下，于是典型地僅僅加入足以將全部或大部分氣體轉(zhuǎn)化為水合物的水，因為可以將所述水合物在烴液(油)相中調(diào)成漿液。然而，如果需要或要求提高可流動性，則可以加入更多的水。另一方面，在烴流體相對于液體具有大部分氣體的情況下，加入充分過剩的水以確保水合物顆粒分散在足夠的液體水中，從而形成可流動漿液。典型地，在漿液中，漿液可以包含至多10％、20％或30％體積/體積的顆粒。適宜地，通過使用適合的抗附聚劑(AA)，防止包合物附聚和系統(tǒng)堵塞。然而，還可以將液體烴加入到系統(tǒng)中以提高含有或沒有AA的水合物漿液的可輸送性。例如，在含有或沒有液體烴的情況下，添加的包合物主體，例如水可以含有作為添加劑的抗附聚劑。在需要時，還可以加入促進包合物形成和/或改變它們的結(jié)晶特性的其它添加劑。合宜地，還可以將這些添加劑與添加的主體一起加入或者加入到添加的主體中，特別是在主體為水時。例如，在油氣輸送應用中，引入AA的可能方法在實踐上包括第一，藉此將含有AA和其它添加劑的水加入到系統(tǒng)的′上游′區(qū)，即在接收平臺或目的地前面的井中的方法；和第二，藉此使包含AA和其它添加劑的水在優(yōu)選處于回路形式的系統(tǒng)中再循環(huán)的方法。后一種選擇是優(yōu)選的選擇，原因在于由于在循環(huán)水中存在水合物結(jié)構(gòu)/顆粒，它允許將化學品的用量和更低的低溫冷卻度減到最低。適合的抗附聚劑包括高度支化的季銨化烷基銨或鏻化合物(通常具有伴隨的溴/氯離子)，如Klomp等在美國專利5,460,728中所述。
然后得到的水合物、流體和任何殘留的氣體的混合物(′烴流體′)流經(jīng)系統(tǒng)。
盡管在系統(tǒng)中的粘度是問題，并且較低的粘度是適宜的，但是通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的水、液體烴或其它包合物主體的量，可以對任何系統(tǒng)實施這種方法，以在制備適合流動的漿液方面產(chǎn)生需要的結(jié)果。
加入到系統(tǒng)中所需的最低水量取決于系統(tǒng)中的氣體和系統(tǒng)的溫度以及壓力條件，因此取決于形成的水合物結(jié)構(gòu)和水合物的數(shù)量，并且可以如下表示G.nw(H2O)，其中G為氣體的摩爾，并且nw是水合數(shù)量。
加入的水量應該高于氣體的nw摩爾，以保證將氣體最大程度地轉(zhuǎn)化為水合物，并且形成具有良好可輸送性的水合物漿液。通常使用1-5體積％AA的水相?？梢赃m合的是在有和沒有AA時，考慮將液體烴加入到系統(tǒng)中以提高水合物漿液的可輸送性。
這里存在兩種相反的因素。增加水量(和液體烴，在高的氣液比率系統(tǒng)中必需時)增加總管線流量，而導致低粘度的水合物漿液，反之，降低水量對總管線流量具有積極的影響，而意味著漿液的水合物含量高，從而意味著高粘度。因此，可以并且應該通過實驗方法和/或綜合的實驗和模擬方法確定水(和液體烴，在必需時)的最佳范圍。在本實驗室進行的實驗表明作為水合物形成的結(jié)果，可以降低系統(tǒng)中的表觀粘度。
本發(fā)明的這個第一方面可以增加系統(tǒng)容量，例如，1個單位體積水合物可以容納高達175個單位體積的標準條件下的氣體(即，水合物形成大致相當于2250psia的壓力)，同時降低系統(tǒng)操作壓力，從而因為無需系統(tǒng)絕熱或加熱，降低系統(tǒng)構(gòu)建和操作的成本。
還可以將使用的AA的全部或部分再生/回收，并且使它們再循環(huán)到系統(tǒng)中，從而降低化學品成本并且減輕潛在的環(huán)境影響。在接收平臺中，在系統(tǒng)目的地或在系統(tǒng)的″下游″區(qū)，將水合物與水/液體烴相分離。這里可以使用的各種技術(shù)，這些技術(shù)不是本發(fā)明的目的。一種選擇是具有其中利用水合物和水之間的密度差以將它們分離的分離器。還可以將引入流體引入到篩盤的頂部。固體水合物將殘留在篩盤的頂部，而液體水將通過并且在分離器的底部收集?？梢允故占乃?部分或全部)和/或由水合物離解產(chǎn)生的水(部分或全部)再循環(huán)。再循環(huán)的蒸汽還可以包含液體烴以提高水合物晶體的可輸送性。其它分離技術(shù)也是可以的，例如在離子AA的情況下，可以考慮在目的地使用離子交換裝置，并且對于聚合物AA，可以考慮膜過濾裝置。還應當指出，除非決定以固體或油中的水合物或水漿液中的水合物的形式傳送在系統(tǒng)中容納的全部水合物，否則部分或全部循環(huán)水可以來自離解的水合物。
另一個潛在的優(yōu)點可以源于更低的流速和壓力恢復引起的總系統(tǒng)壓力的降低。在單或多相流動中，系統(tǒng)中的壓力在一種或多種流體的上升移動過程中降低。它在單相流中，在向下移動過程中恢復(增加)。在氣液流動的情況下，因為氣相沒有被壓縮，所以在向下移動中不恢復壓力。因此，在單相流動中，靜壓降取決于入口和出口高度之差，但是在氣液流動中，靜壓降是由所有上升引起的壓力變化的總和。此外，在氣液流體流動中，摩擦壓降取決于流動方式和表面氣體以及液體速度，所述的摩擦壓降可以高于單相壓降。最后，在容納氣體的系統(tǒng)中存在加速壓降的因素，所述加速壓降在不能壓縮的流體流動中是可以忽略的。流速取決于流體的密度和總質(zhì)量流量。盡管與氣液系統(tǒng)相比，本發(fā)明的水合物漿液的密度高很多，但是因為將水有意加入到系統(tǒng)中，所以總質(zhì)量流量可以更高。結(jié)果，如先前在將水量與系統(tǒng)粘度關(guān)聯(lián)時所述，速度取決于加入到系統(tǒng)中的水量。
這種潛在的優(yōu)點得到測試烴水合物形成對流體的可輸送性的影響(通過測量施加到試驗鉆探設(shè)備中的混合器上的轉(zhuǎn)矩)的實驗數(shù)據(jù)以及使水合物漿液濃度與壓降關(guān)聯(lián)的計算的支持。結(jié)果表明與兩相水-油流動比較，作為水合物漿液的水合物形成氣體/液體的流動具有降低的壓降。
此外，因為水合物形成是放熱過程，所以可以使用在水合物形成過程中產(chǎn)生的熱量保持有利的系統(tǒng)溫度，從而特別降低與蠟形成相關(guān)的風險，如由如下文獻所述Misra S，Baruah S，Singh K[″Paraffin problems in crudeoil production and transportation-A Review″，SPE Production & Facilities，10(1)50-54 FEB 1995]，Nenniger，J.E.，Cutten，F(xiàn).B.，Shields，S.N.[′WaxDeposition in a WAG Flood′，SPE 14688]和Newberry，M.E.[′Crude OilProduction and Flowline Pressure Problems′，SPE 11561]。
最后，通過使一定百分比的含有化學品(AA，腐蝕和污垢抑制劑以及其它添加劑等)的流體相再循環(huán)，降低操作成本，所述流體充當將烴流體從它們的來源處攜帶至目的地的載體。
然后，可以以固體水合物(干燥的或在油漿液中的水合物或在水漿液中的水合物)的形式輸送在上游傳輸?shù)浇邮掌脚_、水面設(shè)備或系統(tǒng)目的地的水合物，或者通過供應熱量和/或減壓使其離解。
用于離解的熱源可以是導致它們的溫度降低的海水或空氣?？梢岳糜砂衔?水合物)的離解焓得到的這種冷卻作用。在空氣的情況下，可以將得到的冷空氣用于空氣調(diào)節(jié)目的和/或生產(chǎn)淡水，因為空氣中的水平衡濃度隨著系統(tǒng)溫度的降低而降低，從而額外的水蒸汽將以淡水的形式冷凝。
根據(jù)第二方面，本發(fā)明提供一種用于輸送流體的方法，所述流體包含如上所述的包合物形成氣體/液體，其中輸送系統(tǒng)包含環(huán)形管線。在環(huán)形管線或″環(huán)形干線″系統(tǒng)中，一種或多種循環(huán)的載體流體(在系統(tǒng)中包含液體烴以提高水合物的可輸送性和/或在高氣體系統(tǒng)中的AA的性能的情況下)圍繞環(huán)形管線流動。通過適合的入口系統(tǒng)，將包含包合物形成氣體的攜帶流體(例如，一種或多種烴儲罐/井流)從一個或多個來源放入/引入到環(huán)形管線中，所述流體以可流動的包合物漿液的形式進行輸送。循環(huán)的載體流體然后將流體輸送到目的地，在此將它從載體流體中部分或全部提取。
合宜地，循環(huán)的載體流體是例如，水或水+液體烴+其它流體(用于提高水合物漿液的可輸送性)。
例如，將流體烴的各個井或其它來源各自連接到這種具有適當?shù)牧髁靠刂苹蚱饎酉到y(tǒng)的環(huán)形管線中?？梢詾樗N或兩者的混合物的循環(huán)流體充當載體，從而將烴流體從各個井傳輸?shù)缴a(chǎn)設(shè)備中。所述生產(chǎn)設(shè)備可以位于一個目的地(場所)或更復雜的系統(tǒng)中多于一個的目的地。此外，調(diào)節(jié)包合物主體的量以將全部或大部分氣相轉(zhuǎn)化為包合物。根據(jù)情況，可以在通過管線輸送流體時或之前進行這種轉(zhuǎn)化。在必需時，因為在它到目的地的路途中，它經(jīng)過更多的烴流體源(井)并且從中收集，所以可以逐漸增加環(huán)形管線的直徑以容納額外的流體。將水合物漿液與載體流體一起輸送到平臺或加工裝置，在此可以將水合物和烴液體與載體流體分離。對于在常規(guī)的管線安置中，抗附聚劑和其它添加劑可能是必需的，以防止這種系統(tǒng)中的流動堵塞?？梢允狗蛛x的水和/或由水合物離解產(chǎn)生的水的一些或全部循環(huán)，以將抑制劑消耗量減到最少(取決于各種抑制劑分配和/或其它操作環(huán)境)?？赡鼙匦璧氖羌尤牒谢驔]有抑制劑的補給水，以得到適宜的水合物漿液混合物。
具有循環(huán)的載體流體的環(huán)形管線在有效地重復使用載體流體的情況下，可以提供一種實現(xiàn)本發(fā)明的方法的特別經(jīng)濟的方式，特別是當多個生產(chǎn)井給一個生產(chǎn)設(shè)備供料時。還可以在將新井接入到環(huán)形管線中之前或之后，逐漸增加載體流體的量(例如，與環(huán)形管線的附加連接)。
根據(jù)第三方面，本發(fā)明提供一種用于包含包合物形成氣體/液體的流體的輸送系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包含環(huán)形管線，所述環(huán)形管線具有包含包合物抑制化合物的一種或多種循環(huán)的載體流體。與本發(fā)明的第二方面一樣，在這個方面中，環(huán)形管線可以將多個流體源(例如，油井)連接到一個或多個目的地(生產(chǎn)設(shè)備)。在本發(fā)明的這個方面中，當用于其中意外的水合物形成是危險的烴輸送時，將載體流體與熱力學和/或動力學水合物抑制劑一起循環(huán)防止氣體水合物的形成。因為防止氣體水合物形成，所以與本發(fā)明的上述其它方面不同，這種安置排除了多相(液體和氣體)流動。然而，使用環(huán)形管線允許將循環(huán)的載體流體及其相關(guān)的水合物抑制劑化合物容易且連續(xù)地再循環(huán)。優(yōu)選地，循環(huán)的載體流體包含水。水可以容易地與烴分離。
本發(fā)明還提供一種用于輸送包含氣體的流體流的方法，所述方法包括如下步驟將所述流體通過入口放入到環(huán)形管線中，所述環(huán)形管線具有包含包合物抑制化合物的循環(huán)的載體流體；和在目的地，從所述循環(huán)的載體流體中提取所述流體。優(yōu)選地，所述循環(huán)的載體流體包含水。
本發(fā)明的第四方面基于人為地形成包合物并且使其離解，以及利用它們的熱源和吸熱特性。
根據(jù)第四方面，本發(fā)明提供一種熱泵，其中工作流體包含包合物形成主體和包合物形成客體，所述主體和所述客體形成包合物，然后在壓力變化的影響下離解回到所述主體和所述客體。所述包合物可以是例如，其中主體包括水的水合物。在如下描述中，應當理解表述″水合物″和″多種水合物″是指任何適合的包合物以及是指其中水實際上是主體的包合物。
本發(fā)明基于藉此將水或另一種水合物形成主體與一種或幾種包合物或水合物形成化合物混合以在系統(tǒng)中制備單相或接近單相的液相(使用或不使用化學品)的方法。于是可以在熱泵中使用這種工作流體。這種系統(tǒng)優(yōu)選為閉合的豎直或接近豎直的回路，優(yōu)選在其中回路的下部暴露于低溫流體中(例如，在海洋環(huán)境中)的介質(zhì)中。在本發(fā)明的這個方面中，還可以使用藉此可以人為地實現(xiàn)由高度引起的系統(tǒng)壓力和溫度的變化的系統(tǒng)，所述變化與豎直或接近豎直的系統(tǒng)中存在的那些類似?？梢越柚诒檬顾衔镄纬苫旌衔镅h(huán)以調(diào)節(jié)流量和時間選擇。由于系統(tǒng)壓力的增加并且優(yōu)選系統(tǒng)溫度的降低，在同路的較低的加壓部分形成水合物。這種反應將導致熱量的釋放。由于系統(tǒng)壓力的降低并且潛在地環(huán)境溫度的升高，水合物在回路的上部離解。這種反應將導致從環(huán)境中吸收熱量。得到的系統(tǒng)以水合物熱泵或回路的形式工作，從而可以用于許多應用，包括空氣調(diào)節(jié)，生產(chǎn)淡水和傳熱至海底。還可以通過改變水合物形成(客體)化合物，切換水合物形成和離解部分。通過改變客體化合物，作為壓力增加的結(jié)果可以使水合物離解，并且作為降低壓力的結(jié)果可以形成水合物。
對于本發(fā)明的第四方面，重要的是記住水合物是作為適當大小的分子與水合物形成流體化合物在低溫和高壓條件下結(jié)合的結(jié)果而形成的固體化合物；并且記住它們的形成是放熱過程；以及它們的離解是吸熱過程。溫度的降低通常促進水合物形成，而壓力的影響可能取決于客體分子的特性。
這種水合物泵/循環(huán)優(yōu)選由閉合回路組成，所述閉合回路通過其中將系統(tǒng)加壓的″向下′支路和其中將系統(tǒng)減壓的′返回′支路使水合物形成流體/氣體混合物循環(huán)。
這導致系統(tǒng)分別通過水合物形成和離解，在加壓條件下以熱源的形式和在減壓時以吸熱的形式工作。
由于靜壓力增加，作為在向下支路的系統(tǒng)壓力增加和系統(tǒng)溫度降低的結(jié)果，水合物形成。
因為水合物形成是放熱過程，即，升高系統(tǒng)溫度，所以它導致熱量從系統(tǒng)流向周圍環(huán)境。這種熱能可以用來給海底設(shè)施提供熱量。
形成的水合物然后幫助流體向上流動，因為在返回支路中，它們充當提升裝置(在有正浮力的水合物形成化合物的情況下)，從而降低循環(huán)泵的負荷。
由于靜壓力的降低和環(huán)境溫度的可能升高，水合物在回路的上部開始離解。因為水合物離解是吸熱過程，水合物的離解將導致系統(tǒng)溫度的降低。
可以通過吹入空氣提供水合物離解所需的熱量。這將導致出口空氣溫度的降低，這可以用于空氣調(diào)節(jié)目的。另一方面，空氣溫度的降低將導致在空氣中的平衡水含量的降低。因此，額外的水將從入口空氣中冷凝出來，從而導致淡水的產(chǎn)生。
能量從空氣傳遞到離解的水合物導致很低的空氣溫度，水蒸汽的冷凝，從而導致淡水的產(chǎn)生。
可以使用泵相對于低溫冷卻度和誘導時間調(diào)節(jié)流量以確保水合物在回路的恰當部分形成。然而，預期在使用具有豎直向下的支路和返回支路的熱泵時，由于在向上支路中的水合物的正浮力和在向下支路中的冷水負(和在水合物離解之后的高密度)浮力，任何泵的功率輸入應該是小的。還可以使用泵和減壓閥的組合以減少回路的長度。在這種實施方案中，使用泵將系統(tǒng)加壓并且形成水合物(從而釋放熱量)，并且使用減壓閥(限制器)降低壓力并且使氣體水合物離解(從而吸熱)。對于壓力增加，可以使用各種其它技術(shù)，包括滾筒裝置以壓縮含有水合物形成混合物的管道系統(tǒng)。
可以使用添加劑促進水合物形成并且防止在系統(tǒng)中的水合物堵塞。這些添加劑由抗附聚劑和化合物組成，所述化合物通過各種方式，包括增加水合物形成化合物的溶解度、將水合物穩(wěn)定區(qū)向右轉(zhuǎn)移并且提供用于氣體水合物形成的晶種和成核位置，促進水合物形成的動力學。對于閉合的系統(tǒng)/回路，一些抗附聚劑(例如，上述商業(yè)化抗附聚劑的一些)可以適用于上述系統(tǒng)，因為它們促進水合物形成(表面活性劑作用)并且防止堵塞。
下列文章論述了各種類型的添加劑對促進天然氣水合物的水合物形成比率及其存儲容量的影響，并且其中具有相關(guān)性的是″Effect of additiveson formation of natural gas hydrate″，C.S.Zhang，S.S.Fan，D.Q.Liang，K.H.Guo.FUEL 83(16)2115-2121 2004年11月。
本發(fā)明的優(yōu)選實施方案在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，根據(jù)第一方面，將水(含有或沒有液體烴)有意引入到水合物的形成可能有問題的氣體或油(即，高于泡點)或油-氣體(兩相)管線中，以將管線中的大部分或全部氣相轉(zhuǎn)化為水合物，而通過使用抗附聚劑(在必需時)防止其中的水合物附聚和管線堵塞，以在管線中以處于漿液形式的水合物輸送氣相并且增加系統(tǒng)容量和效率。添加的水可以包含促進水合物形成和/或改變它們的結(jié)晶特性的添加劑。可以將AA在注入到管線中之前或之后加入到水相中。在循環(huán)回路的情況下，可以在上游加入AA以彌補在水合物和載體流體分離過程中損失的量。
這種實施方案可以潛在地增加管線容量，因為單位體積的水合物可以容納高達175單位體積在標準條件下的氣體(大致相當于2250psia壓力)，以及降低管線操作壓力，以及降低管線的構(gòu)建和操作成本。而且，因為無需管線絕熱和/或加熱，所以管線的成本顯著降低。還可以將來自在管線下游中容納的流體的全部或部分AA回收和再生，并且除將其它抑制劑如污垢和腐蝕再循環(huán)以外，還通過在上游注入使它們再循環(huán)到系統(tǒng)中，從而降低化學品成本并且減輕潛在的環(huán)境影響。如在前說明，通過不是本發(fā)明的目的的各種方法，包括將漿液引入到分離器中和篩盤上面，可以分離水合物。同體水合物將殘留在盤的頂部，而含有AA和其它添加劑的水將通過盤并且容納在分離器的底部。備選地，對于它們的分離，可以利用在水合物和水之間的密度差。由天然氣形成的水合物通常比水更輕，并且將聚集在分離器的頂部。
可以將海水和/或生產(chǎn)的水用于水合物形成和氣相到水合物的轉(zhuǎn)化(如果混合海水和形成水，則顯然在處理潛在的污垢問題之后)以及輸送流體。在近海環(huán)境中，海水通常是可以容易地獲得的。在使用鹽水作為輸送流體的過程中，沒有損害，并且即使在其中管線中的水通常是冷凝水的天然氣系統(tǒng)的情況下，也無需具有昂貴的蒸餾水。在儲罐形成水的情況下，它已經(jīng)是鹽水。重要的是確保富含游離水的相的鹽度應該低于鹽析點(飽和)，以及在混合海水和形成水時，處理污垢問題。在確定水合物漿液中的水合物/游離水比率時，這種因素應該負責。明顯地，形成固體鹽晶體不是適宜的。因為形成的水鹽度越高，則在水合物漿液中的最大水合物含量(應該)越低以避免鹽結(jié)晶，所以這種比率將取決于產(chǎn)生的水的鹽度。
消除氣相可以顯著促進流體動力學，并且降低跨過管線的壓降。通過消除(或顯著減少氣相)，系統(tǒng)更接近于均相流動，從而降低流動分離和段塞，改善在下游流動中的壓力恢復，并且減小靜壓、摩擦和加速壓降分量。除稍后描述的流態(tài)以外，潛在的優(yōu)點還取決于管線構(gòu)形。在管線中的起伏次數(shù)越高，均相流的優(yōu)點(即，在下游流中的壓力恢復)越大。對于摩擦壓降，有兩種可能性。首先，系統(tǒng)沒有大量的液體烴相，即，它主要由氣體和冷凝水組成。在這種情況下，通過轉(zhuǎn)化全部(或?qū)⒋蟛糠謿怏w轉(zhuǎn)化為水合物)，制備水/水合物(或如果將液體烴加入到系統(tǒng)中，則為水/液體烴/水合物，或水合物/液體烴)漿液?？紤]到水、液體烴和水合物(彼此很接近)的密度，所述系統(tǒng)接近均相系統(tǒng)，從而降低流體/固體分離、段塞和滯留的風險。其次，當系統(tǒng)沒有顯著量的液體烴時，通過將全部或大部分氣相轉(zhuǎn)化為水合物并且將水合物形成為油乳液或水漿液和液體烴相中的水合物，再次降低在各種相之間的密度差，從而降低流體分離和滯留的風險。這個實施方案的另一個方面涉及在實踐上消除由接近不能壓縮的流體的形成引起的動能壓降(與可高度壓縮的氣相比較)。
另一個潛在的優(yōu)點源于更低的流速和壓力恢復引起的總系統(tǒng)壓力的降低，從而允許使用具有更低壁厚的管道。此外，因為水合物形成是放熱過程，所以可以使用在水合物形成過程中產(chǎn)生的熱量保持系統(tǒng)溫度，從而特別是降低與蠟形成相關(guān)的影響，并且還降低/消除管線絕熱的需要，降低管線以及安裝過程的成本。此外，通過流動的固體水合物顆粒的機械作用進一步降低在管壁上的蠟沉積物的風險，因為它們從管壁上除去任何固體沉積物，防止由固體沉積物引起的有效管線直徑的任何減小和它的表面粗糙度的增加。水合物晶體的存在還促進蠟顆粒的分散，從而降低與蠟堵塞相關(guān)的風險。已知管線內(nèi)表面的增加通常導致系統(tǒng)壓降的增加。
在根據(jù)本發(fā)明的第二方面的一個實施方案中，環(huán)形管線具有充當載體流體的循環(huán)水(含有或沒有液體烴和添加劑)。在上述兩個實施方案中，可以在使用或不使用脫水/干燥處理的情況下，如由其它研究者(例如，Gudmundsson等，[″Hydrate Technology for Capturing Stranded Gas″AnnNY Acad Sci.2000；912403-410.])提出的，以水合物(干燥的、在油漿液中的水合物或在水漿液中的水合物)的形式儲存并且輸送氣體。然而，作為本發(fā)明的結(jié)果，因為利用冷的海底環(huán)境而在海底管線中形成水合物，所以可以顯著節(jié)省在由上述研究者提出的水合物形成反應器中必需的冷卻系統(tǒng)中所需的能量。
備選地，可以通過減壓和/或加熱，使水合物離解而回收氣體。所述熱源可以是水或空氣。在使用空氣的情況下，出口空氣將比入口空氣更冷得多，從而可以用于空氣調(diào)節(jié)目的和/或生產(chǎn)淡冷凝水。
在本發(fā)明的第三方面中，一個實施方案將環(huán)形管線與水(含有或沒有油和其它化學品)一起用作載體流體，但是通過使用水合物抑制劑化合物積極地防止水合物形成。因為從水合物結(jié)構(gòu)中排除了熱力學抑制劑并且因為水合物形成導致在游離水中的抑制劑濃度的增加，所以通過控制在循環(huán)的載體流體中的抑制劑濃度，可以調(diào)節(jié)、最小化或消除低溫冷卻度和水合物抑制劑(熱力學或動力學)的水平。鹽濃度應該低于鹽析(飽和)濃度，以防止鹽沉積。
在本發(fā)明的第四方面的實施方案中，可以使水和一種或多種水合物形成化合物在閉合回路中循環(huán)，以利用分別在水合物的水合物形成和離解過程中產(chǎn)生和/或吸收的熱量，建立新的水合物(熱)泵/循環(huán)。水合物形成是放熱過程，而它的離解需要大量熱?？梢酝ㄟ^提高(或者對一些水合物形成化合物降低)壓力和/或降低溫度引發(fā)水合物形成。為了使水合物離解，必須增加系統(tǒng)溫度和/或降低(或增加，取決于水合物形成系統(tǒng)的類型)它的壓力。幾種方法可以用于改變系統(tǒng)溫度和/或壓力，包括利用與系統(tǒng)溫度的自然或人為變化結(jié)合的泵和/或靜壓力變化和/或其它方法。
在一個特別的實施方案中，在海洋中，以其中可以通過泵調(diào)節(jié)循環(huán)速度的豎直或接近豎直的閉合回路的形式建立系統(tǒng)。所述回路具有向下和向上的支路以及用于幫助水合物形成和離解的兩個水平或傾斜的部分。由于系統(tǒng)壓力的增加(理想地，與環(huán)境溫度的降低結(jié)合)，在向下的支路的底部形成水合物，從而釋放可用于加熱目的的熱量。在向上移動過程中，靜壓力降低，并且由于系統(tǒng)溫度的降低，水合物在表面部分中離解。通過使用減壓閥或限制器可以實現(xiàn)系統(tǒng)溫度的降低，從而減小回路的長度。水合物離解需要熱量，因此導致系統(tǒng)溫度的顯著降低，從而如果使用空氣提供用于水合物離解所必需的熱量，則可以用于各種目的的制冷系統(tǒng)，包括空氣調(diào)節(jié)和淡水生產(chǎn)。冷卻空氣過程將導致它的水含量的降低，因此額外的水將冷凝，從而可以用于人類消耗以及農(nóng)業(yè)。
這種方法在某種意義上模擬大自然，即空氣被輸送到低溫條件下并且水從這種空氣中冷凝為雨。簡單地，它涉及水蒸汽飽和或部分飽和的空氣的冷卻以使其中保留的水冷凝。
值得一提的是因為它們充當提升裝置，在所述回路的底部形成的水合物(有正浮力的水合物)將促進流體流向返回支路中較低壓力的區(qū)域。另一方面，因為水合物離解是吸熱過程，所以作為管線壓力降低的結(jié)果，水合物在回路的上部離解，將導致管線溫度的降低。這可以導致系統(tǒng)密度的增加，從而促進流體向下移動。上述這兩種方法將大大促進自然循環(huán)，從而降低循環(huán)泵的負荷并且提高系統(tǒng)經(jīng)濟性。
為了減少水合物離解過程中游離氣相的形成引起的系統(tǒng)性能降低，必須使用可高度可溶性水合物形成化合物或者通過使用添加劑和/或乳液，和/或增加系統(tǒng)壓力，增加包合物客體的溶解度。潛在的候選者是四氫呋喃(THF)和溴化四正丁基銨(TBAB)或含有/不含有其它客體分子的其它高度水溶性化合物。調(diào)節(jié)水和水合物形成化合物之間的比率以優(yōu)化系統(tǒng)的水合物漿液處理(壓降)和總熱容量。
因為在正浮性化合物(即，它們的水合物密度低于水的化合物)的情況下，不完全的水合物形成可能導致不需要的向上浮力，所以重要的是控制在循環(huán)支路的向下支路中的水合物形成。明顯地，對于它們的水合物比水更重的負浮性化合物(如同CO2)，水合物在向下支路中形成有助于流體系統(tǒng)的向下移動，但是所述系統(tǒng)需要用于向上移動的更多能量。另一方面，應該在向上(返回)支路中控制水合物離解以優(yōu)化冷卻能量的使用。
在這個實施方案中，通過下面的方法可以調(diào)節(jié)溫度，并且通過這樣，調(diào)節(jié)水合物形成(熱釋放)和水合物離解(冷端)的比率選擇前一種水合物的類型，并且還通過控制壓力，控制系統(tǒng)的豎直長度和總長度。
通過控制流體循環(huán)量、除熱(例如，使用絕熱)和/或水合物形成化合物的類型，通過調(diào)節(jié)回路壓力控制水合物形成以在特定的深度形成和離解水合物。
還可以將各種添加劑(例如，水合物促進劑、乳化劑、水溶助劑、抗附聚劑、表面活性劑)以及機械裝置如混合加到系統(tǒng)中，以控制水合物形成的比率、水合物顆粒的尺寸和水合物離解的系統(tǒng)溫度。
在需要時，可以通過在系統(tǒng)周圍/穿過系統(tǒng)循環(huán)的空氣(或水)(或用于熱交換目的的類似設(shè)計)供應水合物離解所需的熱量，導致很低的空氣(或水)溫度和水蒸汽的冷凝，從而導致淡水的產(chǎn)生以及空氣調(diào)節(jié)。
通過穿過系統(tǒng)的自然對流或強制對流(通過通風機或鼓風機)使空氣循環(huán)，將必需的熱量供應到系統(tǒng)中，從而導致空氣溫度及其水含量的降低。將這種水冷凝，并且例如通過收集器和抽吸以淡水的形式取出。
因為水合物實際上作為用于將海底的低溫傳輸給表面的熱泵的形式工作，所以還可以將冷卻的空氣用于空氣調(diào)節(jié)目的。
還可以將二次水回路用于冷卻并且甚至冷凍水(用于水脫鹽或其它目的)。如果環(huán)境空氣很干燥或者不可能提取淡水，則可以使用水或制冷劑使水合物離解。得到的制冷劑是冷卻的，從而可以將低溫傳給另一個制冷系統(tǒng)。
這個方面的其它實施方案包括用于將熱量和能量供應給海底設(shè)施、工作站、水底裝置等中的方法。這里，可以使用作為水合物形成的結(jié)果釋放的熱量以將熱量供應給海底設(shè)施。此外，這通過使用熱交換器，使冷的海底水在閉合的環(huán)形回路上經(jīng)過而實現(xiàn)。在水合物形成過程中釋放的熱量加熱海底水，從而導致出口水溫度的升高。
本發(fā)明的優(yōu)點在石油工業(yè)中，本發(fā)明通過消除對管線絕熱或有效加熱的需要，降低管線的成本。此外，它潛在地降低管線操作壓力并且增加其容量。
在本發(fā)明中，通過使這些抑制劑的一些返回并且循環(huán)，提高與各種抑制劑注入相關(guān)的成本。
本發(fā)明通過放熱的水合物形成，控制系統(tǒng)溫度，以及通過使固體水合物顆粒移動，從管線內(nèi)壁上機械地除去蠟顆粒，降低與蠟形成相關(guān)的風險。而且，在蠟和水合物顆粒之間的相互作用將導致更分散的蠟沉積，從而降低與蠟堵塞相關(guān)的風險。此外，從管線壁上除去蠟沉積物降低它們的粗糙度，從而降低摩擦壓降。
本發(fā)明降低與氣體水合物堵塞相關(guān)的風險以及相關(guān)成本。它還通過形成穩(wěn)定的水合物漿液，降低與管線關(guān)閉和啟動相關(guān)的風險和成本。
本發(fā)明可以消除與段塞和流動不穩(wěn)定相關(guān)的風險，從而減少/消除對段塞捕集器以及相關(guān)的CAPEX的需要。還通過使腐蝕抑制劑再循環(huán)，并且在一些情況下減少/消除游離水，可以降低與防止腐蝕相關(guān)的風險。
工業(yè)上使用的一些現(xiàn)有技術(shù)是昂貴且有風險的。本發(fā)明降低近海和深海開發(fā)的成本。
本發(fā)明是經(jīng)濟的，并且涉及它的應用范圍的純度以及彈性的程度。
本發(fā)明通過減少水合物和其它抑制劑并且使其再循環(huán)有益于環(huán)境。
這種創(chuàng)新對其中在使用常規(guī)的水合物防止技術(shù)中高的水餾分是主要障礙的成熟油田可以具有特別的興趣。
這種創(chuàng)新對考慮以同體水合物的形式輸送油和氣體的方案可以具有特別的重要性，因為它完全消除水合物形成平臺和成本以及相關(guān)的成本。
可以通過使用空氣作為加熱介質(zhì)提供水合物離解所需的熱量。這將導致空氣調(diào)節(jié)和淡水產(chǎn)生。
在用于加熱的水合物熱泵和/或致冷系統(tǒng)中可以使用上述概念。
對于以水油乳液形式輸送AA和水合物漿液，進行了大量的工作。使用玻璃微型組件(micromodels)研究了在連續(xù)水相中形成的水合物的形態(tài)。使用現(xiàn)有的動態(tài)鉆探設(shè)備研究了現(xiàn)有的AA在控制水合物-水漿液的水合物堵塞方面的應用。測試了與水合物漿液相關(guān)的典型壓降。結(jié)果表明一些系統(tǒng)無需AA。此外，結(jié)果表明與水-油系統(tǒng)相比，水合物-油系統(tǒng)的表觀粘度可以更低，并且這種值通過作為系統(tǒng)中的水合物的量的函數(shù)的最小值。
權(quán)利要求
1.一種通過包含管線的輸送系統(tǒng)輸送包合物形成氣體/化合物的流體的方法，所述方法包括如下步驟a)使所述流體暴露于包合物形成溫度和壓力條件下；b)除非在所述流體中已經(jīng)存在足夠的包合物形成主體，否則引入足夠的包合物形成主體，以將所述氣體/化合物基本上全部轉(zhuǎn)化為所述包合物并且形成可流動漿液；和c)將得到的可流動漿液通過所述輸送系統(tǒng)輸送到目的地。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述包合物在目的地離解以收回所述氣體或水合物形成化合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中將所述包合物在目的地離解的焓用于冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項的方法，其中所述流體是烴或烴占優(yōu)勢的流體。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項的方法，其中所述包合物形成主體三是水。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述可流動漿液是分散在基本上為烴的液體中的水合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述可流動漿液是分散在基本上為水的液體中的水合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項的方法，其中所述方法還包括將抗附聚劑化學品引入到所述流體中的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中以所述漿液的1-5體積％的濃度引入所述抗附聚劑化學品。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9的方法，其中使用的所述抗附聚劑化學品包括單獨或組合的高度支化的季銨化烷基銨或鏻化合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中使所述抗附聚或其它化學品的至少一部分再循環(huán)以重復利用。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項的方法，其中使所述包合物主體或其它流體的至少一部分再循環(huán)以重復利用。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的方法，其中所述管線是回路。
14.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求的方法，其中所述輸送系統(tǒng)包含環(huán)形管線，所述環(huán)形管線容納循環(huán)的載體流體流，并且將所述流體的至少一個來源連接到至少一個目的地。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中所述循環(huán)的載體流體基本上是水或基本上是液體烴。
16.根據(jù)任一項前述權(quán)利要求的方法，其中所述管線基本上全部在海底。
17.一種熱泵，其中所述工作流體包含包合物形成主體和包合物形成客體，所述主體和所述客體形成包合物，然后在干線壓力變化的影響下離解回到所述主體和所述客體。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的熱泵，其中所述主體是水性流體。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或權(quán)利要求18的熱泵，其中所述客體選自THF、TBAB和其它水合物形成化合物。
20.權(quán)利要求17至19中任一項所述的熱泵，其中所述熱泵包含兩根基本上平行、基本上豎直的管道，所述管道在頂部和底部以流體流通的方式連接以形成回路，其中當在所述回路的較低部分時，將所述工作流體相對于在所述回路的上部的壓力加壓。
21.一種熱泵用工作流體，所述熱泵用工作流體包含包合物形成主體和包合物形成客體。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的熱泵用工作流體，其中所述包合物形成主體是水性流體。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的熱泵用工作流體，其中所述包合物形成客體選自THF、TBAB和其它水合物形成化合物。
24.一種輸送系統(tǒng)，所述輸送系統(tǒng)用于包含包合物形成氣體的流體，所述系統(tǒng)包含環(huán)形管線，所述環(huán)形管線具有包含包合物抑制化合物的循環(huán)的載體流體。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的輸送系統(tǒng)，其中所述循環(huán)的載體流體包含水。
26.一種用于輸送包含包合物形成氣體/化合物流體的方法，所述方法包括如下步驟a)將所述流體通過入口放入到環(huán)形管線中，所述環(huán)形管線具有包含包合物抑制化合物的循環(huán)的載體流體；和在目的地從所述循環(huán)的載體流體中提取所述流體。
27.根據(jù)權(quán)利要求26的方法，其中所述循環(huán)的載體流體包含水。
全文摘要
一種通過包含管線的輸送系統(tǒng)輸送包含包合物形成氣體的流體的方法。所述方法包括使所述流體暴露于包合物形成溫度和壓力條件下；和引入足夠的包合物形成主體以將所述氣體基本上全部轉(zhuǎn)化為包合物并且形成可流動漿液。然后將所述可流動的漿液通過管線輸送到目的地。備選的方法包括通過容納包含包合物抑制劑的載體流體的環(huán)形管線輸送所述流體。還提供的是工作流體為包合物形成組合物的熱泵。
文檔編號F17D1/05GK101056966SQ200580037855
公開日2007年10月17日 申請日期2005年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月4日
發(fā)明者巴赫曼·托哈迪 申請人:赫瑞瓦特大學