Aktiv regulering for unng slugging Erfaring fra forsk

Aktiv regulering for å unngå slugging: Erfaring fra forsøk på Tiller og implementasjon på Gullfaks B&C John-Morten Godhavn Statoil F&T Prosesskontroll

Innhold • • • Omfang av sluggregulering i Statoil Akademisk aktivitet Hva er slugging? Reguleringsmetoder for å redusere slugging Eksperimentelle resultater fra Tiller Beskrivelse av sluggregulering for 2 -faserør fra Gullfaks B til C

Omfang av sluggregulering i Statoil • • • Til nå: – Storskalaforsøk på Tiller av Pål Hedne m. fl. sent på 1980 -tallet – Heidrun Nordflanken D-linja fra april 2001 – Heidrun Nordflanken E-linja fra oktober 2001 – 4 uker med eksperimenter på Tiller 2001 – 7 uker med eksperimenter på Tiller 2002 – Tofaserør fra Gullfaks B til Gullfaks C mars 2003 Kommer: – To 11 km rør fra Tordis til Gullfaks C september 2003 Kan bli: – Kristin klargjort for sluggregulering med raske ventiler – Åsgard, Veslefrikk m. fl.

Akademisk • • • Paper: 1. Suppression of slugs in multiphase flow lines by active use of topside choke Field experience and experimental results, Gunleiv Skofteland John-Morten Godhavn, Multiphase'03, San Remo, Italy, 11 -13 June 2003. (Måledata fra Tiller 2001, beskrivelse av kaskaderegulator (originalt bidrag) med volumrateregulator som slave der volumraten er beregnet fra forenklet ventillikning med målt tetthet og difftrykk, feltresultater og offshore erfaringer fra Heidrun med senket rørlinjetrykk). 2. Modelling and Slug Control within OLGA, Mehrdad Fard and John-Morten Godhavn, sendt til SPE journal. (Sammenligner OLGA simuleringer med måledata fra Tiller 2002. Originalt bidrag her er å gjenskape måledata i lukket sløyfe med sluggregulator. Dermed kan vi sannsynliggjøre at sluggregulering vil virke offshore dersom vi får det til i simuleringer med OLGA og OLGA-Matlab Control Toolbox). 3. New Slug Control Strategies, Tuning Rules and Experimental Results, John-Morten Godhavn and Mehrdad Fard, Under utarbeidelse. (Originale bidrag er bl. a. nye reguleringsstrukturer med kun topside målinger samt modeller for regulatortuning) Dr. ing. 1. Heidi Sivertsen, Stabilization of desired flow regimes using active control, Kjemiteknikk, NTNU (Skogestad) 2. Hardy Siahaan, Active control in deep-sea production and transport systems, Kybernetikk, NTNU (Bjarne Foss) Prosjektoppgaver: 1. Sluggregulering i lange rør: Rune Asbjørnsen, Stavanger (Drengstig) 2. Stabilisering av gravitasjonsindusert slugging i pipeline-riser systemer med lange føderør, Christian F. Trudvang, Kjemiteknikk, NTNU (Skogestad)

Hva er slugging? • • Ujevn strømning med væskeslugger og gassbobler i flerfaserør. Gir problemer nedstrøms med ujevne rater, trykk og nivå. To typer: – små slugger (1 -5 minutters periode) – store slugger (10 -300 minutters periode, riserslugger) Vanlig løsning: strupe til slugging forsvinner – gir redusert produksjon og høyt trykk. Bedre løsning: aktiv regulering for å stabilisere trykk og rater. Utfordring: tilgang på målinger (trykk, rate, tetthet) som kan brukes til regulering (avstand, tidsforsinkelse, oppløsning, etc) Pådrag: plattform strupeventil, evt. gassløft.

Riserslugging ŸSyklisk: Væskelås i bunnen av riser, trykkoppbygging, utblåsing ŸStore trykkvariasjoner ŸTypisk ved lave rater og lave trykk ŸSpesielt aktuelt i slutten av feltets levetid

Sluggregulering - Eksperimenter Slugging i riser Tettheten varierer Med sluggregulering Boblestrøm Jevn tetthet

Sluggregulering med bunntrykk • Holder trykket på bunnramma konstant • Trykksettpunktet velges slik at det slugger minst mulig. • Automatisk oppstart og nedstengning av enkeltbrønner. Bruker choke som reguleringsventil • Demper riserslugging

Sluggregulering med kaskade • Trykkregulator gir settpunkt til flowregulator • Holder trykket på bunnramma konstant • Regulerer raten inn på anlegget • Demper riserslugging • Demper også små slugger

Sluggregulering med ankomsttrykk • Ankomsttrykk gir settpunkt til flowregulator • Uavhengig av havbunnsmålinger • Demper riserslugging • Demper også små slugger • Mindre robust og tregere • Alternativ når havbunnsmåling ikke fins

Resultater fra Tiller 2001/2002 l Regulering av bunntrykk, volumrate og kaskaderegulering (2001). l OLGA sluggperiode 50 s (2001) og 200 s (2002) verifisert eksperimentelt l Strømningskart og ventilkarakteristikk (2002) – Strømningskart (100% åpen ventil) får redusert sluggområde med fast struping (15%), og blir forsvinnende lite med aktiv sluggregulering. l Regulatortuning (2002) – Lager lineær modell ved å ta opp sprangresponser med stabil strømning – Utviklet tilsvarende matematisk modell med fysiske parametre. – Tuner trykkregulator og evt rateregulator hver for seg. – Asymmetrisk respons på trykk (raskere å tømme riser for væske enn å fylle riser med ny væske). Tuning bør gjøres når ventil åpnes. l Regulering kun basert på plattformmålinger, dvs uten bunntrykk (2002) – Mottakstrykk har inversrespons: ved økt ventilåpning reduseres trykket i bunnen, mens mottakstrykket økes mens riser ”tømmes”, før det går ned. – Regulator med lav forsterkning og stor integraltid virker for Tiller-sløyfen. l ”Trege” ventiler: hvor lang lukketid kan ventilen ha? (2002)

Strømningskart med 100% åpen ventil

Asymmetrisk effekt Asymmetrisk respons på buntrykk med 1% økt (-) og 1% redusert (--) åpning. • • • Økt ventilåpning gir mye raskere trykkreduksjon en tilsvarende redusert ventilåpning gir trykkøkning. Redusert ventilåpning gir økt væskemengde i riser. Trykkøkning er begrenset av væskeraten inn i riser (treg). Økt ventilåpning gir redusert væskemengde i riser. Væsken erstattes av komprimert gass fra røret som ekspanderer i riser (hurtig).

Dynamisk modellering av bunntrykkendring Antatt tetthet 400 kg/m 3 og rør med tverrsnittareal 0. 0037 m 2. Eksperimentell modell Et førsteordens lineært filter gir en god tilnærming til den eksperimentelle bunntrykkresponsen med parametrene KB=0. 12 bar/m 3/h og TB=65 sekunder. Anbefalte regulatorparametre Bunntrykk målt (-) og lineær tilnærming fra modell (--).

Sluggregulering bunntrykk kaskaderegulator

Topptrykkregulering • • Inversrespons gjør det vanskeligere å regulere. Åpning av ventil under stabil strømning gir trykkfall i bunnen av riseren. I toppen av riseren får vi derimot en liten trykkøkning først før trykket også der faller. Struping av ventil gir trykkøkning i bunnen og midlertidig trykkfall i toppen.

Sluggregulering topptrykk kaskaderegulator

Gullfaks feltet l. Gullfaks B sender normalt olje til A og gass til A og C i enfaserør. l. Vil unngå stans på Gullfaks B under 3 ukers revisjonsstans på A. Gullfaks A Gullfaks B olje gass/olje/ tofase gass olje gass tankskip gass brønner reinjeksjon Gullfaks C gass brønner Statpipe reinjeksjon

Sluggregulering rør mellom Gullfaks B og C l Tofasestrømning fra B til C ga kraftig slugging med 17 min. periode. l Sluggregulering lagt inn for å redusere slugging, fakling, etc. l Effektiv sluggdemping i OLGA med konstant rate fra Gullfaks B. Sluggregulator

Sluggregulering GFB-GFC rør • Slugging i tofaserøret med fast ventilposisjon ga opptil 16 -18 bar trykkvariasjoner oppstrøms choke. • Redusert til 4 -5 bar med sluggregulering. • Trykkvariasjoner i separator på Gullfaks B gir varierende væskerate. • Vanskelig å få fjernet alle variasjoner.

Planer sluggregulering F&U 2003 • • • Simulere sluggregulering i OLGA og Petra – Omvendt rekkefølge av vanlig utvikling: Først installasjon på Heidrun, deretter eksperimenter på Tiller, og først nå simulering. Lage standardisert opplegg for implementasjon av sluggregulering i OLGA, slik at sluggregulering blir vurdert i utviklingsfase av nye prosjekter og f. eks. når rørlinjetrykk skal senkes. Mål: Aktiv sluggregulering blir vurdert som alternativ til endring av utstyr. Teste ut sluggregulering på lange rør (f. eks. 40 km) Teste ut sluggregulering på lange risere (f. eks. 2. 5 km) Teste ut sluggregulering uavhengig av bunnmålinger