[0001] 本申请是申请日为2008年10月20日、申请号为200880119937.3、发明名称为“清除蜡和测量蜡厚度的方法”的发明专利申请的分案申请。

[0002] 本发明涉及一种用于清除集结在含有或输送流体的系统或管道中的固体的方法。特别地，本发明涉及一种用于从管道及其他用于碳氢化合物运输的装置中清除蜡的方法。

[0003] 在当今的石油生产基础设施中，沉积在油管道的内壁上的蜡是一个严重的问题：当温油流过具有凉壁的管道时，蜡将析出并粘附在壁上。其接着将减小管道的横截面面积而没有适当防范措施地导致压力损失，并且最终导致管道的完全堵塞。

[0004] 处理该问题的现有技术包括：

[0005] ·清管：每隔一定间隔从管壁上机械刮除蜡。

[0006] ·化学抑制剂：添加阻止蜡沉积的化学制品。

[0007] ·直接电加热(DEH)：电加热使管道保暖(高于蜡点)。

[0008] 清管是一项复杂而昂贵的操作。如果没有可用的回路，清理器必须使用远程操作运载工具插入到海底。到目前为止，其仍旧是一种危险性的操作；没有测量/预知管道中蜡沉积量的安全方法。这引发的风险在于大于所设计的清理器直径的蜡沉积，导致清理器被卡住。

[0009] 由于必须建立向井口供应化学制品的附加管道以及化学制品本身昂贵的事实，化学抑制剂法是昂贵的。因为目前没有能够完全减少蜡沉积的化学制品，化学抑制剂的效率也不高。因此始终需要另外的清理器。另外所使用的化学制品被归类为对环境很成问题。

[0010] 由于安装及操作成本均较高，高于蜡点的电加热是非常昂贵的。因此，电加热对于远距离输送是不可行的。

[0011] 现有技术中公开了其他已知方法，其中：

[0012] US 6,070,417B1公开了一种制造浆(slurry)的方法，其中固体被析出并通过在腔或回路中循环的转轮(runner)或清理器从固体析出在其上的表面机械地清除。

[0013] US 6,656,366B1公开了一种用于减少集结在由井产生的碳氢化合物流中的固体的方法。所述方法基于通过冷却的沉积以及通过使用如上所述转轮或螺旋线圈机械地清除沉积物而实现的沉积物的机械清除。

[0014] EP334578公开了在刮刀结晶器中注射冷的脱蜡溶剂用于清除沉积物。

[0015] 利用目前的技术，含蜡流体的远距离多相输送很大程度上受限于蜡控制。清管不可能越过如此远的距离而电加热由于成本而受限。在冷流中输送固体颗粒的蜡是一种已知的理念，其被许多团体研究(称为“冷流”或“浆流”)。认为冷流是一种用于规避这类问题的有希望的候选。冷流的问题在于如何处理位于冷却区的蜡。在此提出的解决方法提供了一种将蜡颗粒混合到流体流内的方式。

[0016] 本发明的目的在于提供一种用于清除蜡沉积、安装及操作均具有成本效益的新方法，其应用于远距离输送并且其可适合于不同的情况。

[0017] 本发明提供了一种用于清除沉积在与流体流接触的内壁上的蜡的方法，该方法包括将所述内壁及流体流冷却至或低于蜡点的温度，该温度允许溶解的蜡析出在内壁上，其中该方法进一步包括在短时间段内对内壁加热以将沉积的蜡主要以固体部分的形式从内壁表面释放。

[0018] 本发明还涉及包括其他特征的方法，其中：所述释放的固体部分混合到流体流中；所述加热的温度接近于或高于整体流动温度；蜡为选自于包括如下的组中的任何一个：由于热力学变化从流体中析出的固体、通常在井孔条件下溶解在原油中的固体、沥青质、较高的石蜡、氢氧化物以及无机和有机盐及其任何混合物；加热时间为长至足以释放沉积蜡的脉冲加热，并且其优选地短于析出步骤；每隔一定间隔重复脉冲加热，或者根据需要重复，优选地根据规定的蜡厚度限度；内壁为管道、井本身、井口或在开发和加工碳氢化合物中使用的任何管道和顶侧设备的内壁；在不同的时间对管道的不同部分或不同的设备类型执行加热步骤；内壁位于地下、海水中或热交换器中；通过与周围环境自然对流或通过围绕内壁的热交换器的环状物中的受力流体流对内壁进行冷却；通过优选地为通过围绕管子的加热电缆、管道内的电阻加热或感应加热的电加热来进行加热、或者通过优选地为通过使温流体通过热交换器的热交换器来进行加热；或其中容纳所述内壁的器械可通过诸如清洗清管器或探测清管器的清管器来畅通。

[0019] 本发明还提供一种用于执行上述方法的器械。

[0020] 另外，本发明提供一种用于测量沉积在引导碳氢化合物流的管道部分或工艺设备中的蜡的厚度的方法，包括以下步骤：

[0021] (a)对管道部分的上游和下游进行第一次温度测量；

[0022] (b)对未使沉积物松开的管道部分应用短加热脉冲；

[0023] (c)对管道部分的上游和下游进行第二次温度测量；

[0024] (d)由第一次和第二次温度测量之间的温度差的变化计算沉积物的厚度。

[0025] 本发明还涉及一种包括其他特征的方法，其中：短加热脉冲比使沉积蜡松开所需的时间周期短；以及温度测量选自：整体流动温度、管壁温度、在围绕管道的环状物中流动的流体温度。

[0026] 本发明还涉及一种用于清除沉积在与流体流接触的内壁上的蜡的方法，其中当达到蜡厚度限度时根据本发明进行蜡清除，所述蜡厚度根据本发明测量。同样本发明的一部分为其他特征，其中以预定的时间间隔定期地测量蜡厚度，其自动地开始清除方法，该方法优选地受控于诸如计算机的自动控制器。

[0027] 另外本发明涉及用于清除上述设备内壁的方法和装置的应用。附图说明

[0028] 图1显示了蜡厚度随时间和温度变化而变化的曲线图；

[0029] 图2显示了通过电加热清除蜡的一个实施例；

[0030] 图3显示了通过热水清除蜡的一个实施例；

[0031] 图4显示了在再循环流中电加热的一个实施例；

[0032] 图5显示了在再循环流中的热交换器的一个实施例；

[0033] 图6显示了管道内水或油的温度及压力的曲线图；

[0034] 图7显示了热交换器和存储蓄水罐的一个实施例；

[0035] 图8显示了对管道中流体的温度测量；

[0036] 图9显示了对管道壁的温度测量；

[0037] 图10显示了对环状物中的流体的温度测量；

[0038] 图11显示了管道内水或油的温度及压降随时间及加热脉冲而变化的曲线图；

[0039] 图12显示了从每天进行的加热脉冲计算的蜡厚度的曲线图。

[0040] 蜡清除

[0041] 本发明可应用于其上的流体流可以是单相或多相流，包括碳氢化合物及可选地H2O及/或诸如CO2、H2S等的气体及/或盐及/或诸如各种抑制剂的添加剂。有利地，本发明能应用于运输碳氢化合物的设备。

[0042] 所述设备可以是用于运输碳氢化合物的任何类型的加工设备，诸如井本身、井口及用于开发或加工碳氢化合物的任何管道及顶侧设备。

[0043] 用于本公开中此处称之为“蜡”的析出材料指由于热力学变化而从流体中析出的固体。这些固体包括通常在井孔条件下溶解于原油中的固体，诸如沥青质、较高的石蜡、氢氧化物以及无机和有机盐。蜡的成分将取决于流体流的来源。

[0044] “蜡点”为观察到蜡析出的最高温度。确切的温度将取决于流体成分及压力。然而，本领域技术人员可例如通过简单的实验而容易地获得该值。

[0045] “整体流动温度”为在冷却步骤之前流体流的温度。

[0046] 将参考附图1详细描述本发明。所述图显示了随时间和温度变化而变化的蜡厚度。

[0047] 本发明的基本思想是基于例1所述的实验结果(见下文)及图1。已经发现，可能通过提高壁的温度而将已沉积的蜡从管壁上松开。很重要的一点在于将作为固体部分的蜡松开而不会使蜡熔化。使蜡熔化将使其再次溶解在流体中并且不可取地进一步在下游再次沉积在壁上。然而，当蜡作为固体颗粒从壁上脱离时，它们可以被运输到下游而不会沉积在壁上。面临的挑战在于寻找将流冷却的方法，使得蜡能析出但确保该析出的蜡不会堵塞冷却区域。相反，析出的蜡必须连续地或周期地混合入流中。我们提出的用于获得该目的的方法为使用脉冲加热。

[0048] 本发明基于利用不会使蜡熔化但使蜡松开的热以将蜡作为颗粒运输，它们没有或者只有很小的沉积在壁或其他表面上的趋势。

[0049] 在本发明的第一方面，所述方法可用于现有的安装有直接电加热的管道。作为一种标准应当关掉加热，而不是使管道持续保暖。只有当蜡集结已经超出一定的限度时，才将在短时间内启动加热。这将使沉积蜡松开，接着将其运输到下游。为了避免太大量的蜡在同一时间松开，另一个改善在于并非对整个管道启动加热，而是在某一时间仅对某一段进行加热。这同样将使管道的各段清理干净用于新的沉积物集结，这对于如果只有整个管道的一部分用作为冷却区域并且配备有加热能力是重要的。通过确保冷却区域总是能够沉积的这一区域，避免了在没有安装加热装置的下游进一步沉积。

[0050] 施加在管道或任何生产设备的加热脉冲，致使沉积蜡作为固体颗粒清除，而不会在热井流中出现任何明显的蜡的重新溶解从而使得冷流能够长距离的运输。

[0051] 本发明的第二方面为对于没有安装电加热的管道：需要安装热交换器以将井流在其进入管道之前冷却。冷的海水能用作为冷却介质。所有蜡沉积将仅限于热交换器。

[0052] 热交换器可建成不同的变体：例如通过使碳氢化合物携带管悬浮在自由流动的海水中使得自然对流确定冷却或通过使围绕碳氢化合物携带管的一环状物装满海水或通过其他设计。

[0053] 有两种方式利用脉冲加热而使热交换器或者位于地下或者由海水包围的自由管道保持清洁。

[0054] 使用电加热：

[0055] 安装电加热功能。它们可能是围绕管子的加热电缆、位于管壁中的电阻加热或者管壁中的感应加热。通常将加热关闭，但当集结在管子中的蜡超出一预定的限度时或者在一预定的时间之后将启动加热，使蜡松开，将蜡作为固体部分与流体流一起向远处传输。

[0056] 图2示出电加热的一种实施例。由围绕物10围绕的管子1装配有电加热2功能，所述围绕物例如为比被运载的流体20的温度更冷的土地或海水，所述流体20例如为在海底运输的原油。通过由电脉冲提供热量Q，沉积蜡30松开并且将其作为固体颗粒31混合且运输到下游。

[0057] 使用热水：

[0058] 在标准操作期间，热交换器将对海水加热。如果可以储存该热水，热水可周期地使用以采用热水冲洗热交换器，其与启动电加热具有相同的效果。以这种方式，不需要任何电能。此外用热水冲洗还能清除/终止可能出现在热交换器外侧上的任何有机沉积。

[0059] 作为备选，可使用可从其他并行处理中获得的任何热液体(例如热油)来冲洗热交换器。

[0060] 图3示出通过热交换器加热的一个实施例。管子1由环状物3围绕，其中可循环比被运载的流体20的温度更冷的诸如水的热交换流体40。通过由穿过环状物3的热流体提供热量Q，沉积蜡30可松开并且将其作为固体颗粒31向下游运输。热流体可与管流逆流或同流。

[0061] 由于电加热或热交换器的下游高剪应力，不存在松开的固体蜡再次沉积的趋势。另外，由于因井流接近管壁和海水温度而缺少温度梯度，没有溶解的蜡分子沉积。

[0062] 在本发明的第一方面，对于使用安装有直接电加热的现有管道，上述的不同加热方式将导致所需能量的显著减小(>90％)。即使存在新的加热机制的问题，总是存在持续开启加热以熔化蜡从而提供保持管道开放的安全方式的后备解决方案。

[0063] 对于根据本发明第二方面的解决方案，与例如在US6,070,417或者US6,656,366B1中公开的解决方案相反，热交换器的一个优势在于没有在流动路径内安装的必要。

[0064] 选择电加热的另一个优势在于根本不存在移动部分，这减少了故障的可能性。

[0065] 选择热流体作为加热介质的另一个优势在于不需要用于加热的外部能量源，并且热流体冲洗清洗了热交换器的有机污垢。

[0066] 在第三方面，本发明可用于清洗井：取决于油藏条件及井的几何形状，从油藏流经井管的流体在到达井口之前可能冷于蜡点之下。在这种情况中蜡将在井管内就已沉积，导致如上面对于海底管道情况所述的同样的不利后果。通过围绕井管安装加热设备而使用本发明以补救这些蜡沉积。如上面在海底管道情况中所述，其可以是能充满热液体的环状物或电加热设备。然后可以应用相同的操作程序，即首先将液体冷却并且其后通过外侧加热脉冲清除沉积物，这将使得沉积物松开并且使松开的沉积物向下游运输。

[0067] 在第四方面，本发明还可用于清洗作为顶侧处理设备一部分的热交换器：用于各种处理步骤的这些热交换器只要当将含蜡的碳氢化合物流冷却至低于蜡点，它们就会遭遇蜡沉积。为了清除这些沉积物，在这些热交换器中的冷却介质的温度必须升高再次使沉积物松开。

[0068] 下面提到的范例用于阐明本发明并且它们不应当解释为作为由权利要求限定的专利范围的限制。

[0069] 范例1

[0070] 图1示出来自挪威Porsgrumm的StatoiHydro研究中心的蜡钻塔中的实验结果：在恒温(20℃)下通过钻塔循环蜡的冷凝物。该钻塔由外侧通过水环状物冷却。

[0071] 在开始的17天中，环状物中的水为促使蜡在钻塔内持续集结的10℃。

[0072] 17天后，水温上升到15℃使得冷凝物/水的温差减少。这使蜡集结更慢。

[0073] 22天后，水温上升到20℃使得水和冷凝物之间的温度相同。1天后先前沉积的蜡突然松开并且与冷凝物一起运输到下游。停止并打开钻塔后，发现其是清洁的，壁上没有任何蜡。

[0074] 对于松开的一个解释为当壁的温度上升时，靠近壁的蜡结构发生变化。这其后减小了使蜡粘在壁上的附着力。当附着力小于湍流剪切力时，蜡将从壁上脱离。

[0075] 加热脉冲温度可以是高于整体温度的任何温度。温度越高，沉积蜡释放得越快。因而，高于蜡熔化温度的温度使加热脉冲最有效，当应当注意并不需要同样的高温以清除蜡。如果不能获得高温，例如由于低的加热能力、降低的供能或为了节省能源成本，低于蜡熔化温度的温度可用于提供蜡沉积的松开。

[0076] 可至少在加热区域应用内管涂层以有助于启动蜡释放或减小所需的来自加热脉冲的热量数值，或者甚至为了简单地减小形成的蜡量。

[0077] 范例2 Saturn冷流

[0078] Saturn技术简单地说是一种基于这种理念的技术：干的氢氧化物与蜡颗粒可以运输而且在流动期间和停机情形中不存在凝聚，在WO2004/059178中进一步公开了。如图4所示，通过使具有氢氧化物/蜡颗粒的碳氢化合物流体的冷滑流在热井流中再循环，干的氢氧化物/蜡颗粒由于“紧急冷却(crash-cooling)”会大批地在反应区形成浆颗粒而不会析出在壁上，并且将流体冷却到邻近反应区的环境温度。因此当浆颗粒进一步与天然气和石油通过分流器后被远距离运输时，管壁上没有沉积物并且不会出现堵塞。

[0079] 然而，如果重循环的冷流被混合到靠近采油歧管的温井流中时，为了避免在停机期间蜡沉积和形成氢氧化物，接近混合点的温度将非常高。问题在于热井流和海水温度的冷流的混合总是会产生温度高于海水温度的混合物。因此总是需要将混合物冷却至海水温度。这种冷却总是会在冷却区域产生蜡沉积。如果没有适当的补救措施，这将最终堵塞管子或热交换器。

[0080] 通过在Saturn流系统的反应区，或系统的任何下游区域，使用加热脉冲清除蜡的方法，实现这种沉积物的清除。

[0081] 如上所述，实验显示了通过在短时间内使壁温度升高而从管壁清除蜡沉积是可能的。其将管壁和沉积物之间的附着力减少到沉积物能从壁上脱离的程度。其没有熔化沉积物。相反，松开的蜡以固化形式被运输到下游，其不会再次沉积。

[0082] 该理念也可用在Satrun观念上：蜡沉积出现的冷却区或者反应区定期地暴露在强加热脉冲中。如先前提到的，该加热脉冲可由下面之一产生：

[0083] ·如图4所示通过直接电加热或者通过安装加热电缆(电感或者电阻)，或者[0084] ·如图5所示通过热水，其中必须具有围绕冷却区安装的环状物。

[0085] 图4示出温度T(井)的热井流如何与冷却至海水温度T(海水)的流混合。产生的混合物具有大于T(海水)的混合物温度T(混合)。因此混合物必须进一步冷却到海水温度。在该冷却区将出现蜡沉积。在图4中，Saturn的概念与电脉冲加热结合：当蜡沉积已达到临界限度时，启动电加热。蜡没有熔化但松开与管壁的接触并且随后输送到下游。

[0086] 如图5所示通过使用一环状物获得类似效果。与使用周围的海水冷却混合物流不同，如上图所示使用具有海水的受力流的环状物，其将额外地提高冷却效果。在下图中所示的加热脉冲模式中，环状物装满将松开沉积物使其能输送到下游的热水。该环状物可在与井流相反或相同的任何合适的方向充满。

[0087] 参考图6给出热水概念的实验验证。在测试循环中蜡沉积在水冷却的管子内。可通过在测试段上方的压降来监测蜡的厚度。该图显示了当增加环状物中的水温度时的事件顺序：油温保持常温(20℃)。水温从10℃的增加到超过50℃。2分钟后压降显示出急剧上升并且跌至指示测试段不再存在蜡的水平下。该上升是由于使得蜡沉积运输到下游。

[0088] 作为本理念的扩展，同样可能通过将来自热交换器的所产生的热水存储到蓄水池中而重复利用冷却时所产生的能量，如图7所示。然后将该存储的热水用于加热脉冲。在图7的上图中，在冷却模式中产生的热水存储在蓄水池中。在图7的下图中，存储的热水在加热脉冲模式中重新注入环状物中。

[0089] 测量蜡厚度

[0090] 在本发明的第四方面，基本思路在于利用管壁上蜡沉积对于热流高度绝缘的事实。因此如果在管壁上存在蜡沉积，从管子中的整体流体到管子的围绕物的热流(反之亦然)将显著地减小。

[0091] 对应当探测蜡沉积厚度的管段施加长度比用于蜡清除的加热脉冲短的短加热脉冲q。在该操作期间，例如在加热脉冲之前和之后，如图8所示监测该段的进入的流体温度和离开的流体温度，T(进入)-T(离开)。

[0092] 备选地，测量管子的壁内(外)的温度差，T(壁内)-T(壁外)，同时如图9所示对具有蜡沉积的管段施加外部加热脉冲使得不需要侵入性的传感器。

[0093] 在另一个备选方案中，监测用于加热脉冲清除的环状物中的水温差的改变，而不是实际流体温度或管子温度，所述环状物如图10所示的环状物。短加热脉冲之前及之后计算T(进入)前-T(离开)前的差异并进行比较。通过电加热或通过环状物中短脉冲的热流体提供该短加热脉冲q。

[0094] 已知了管子的几何形状、流体性质、流动性质及所施加的热能，可以高精度地计算出匹配所测温度差的绝缘蜡厚度。

[0095] 范例3

[0096] 已经在蜡钻塔中证明了该原理，参考图11和12。

[0097] 可例如通过短时间内启动的电加热电缆或者通过短时间内装满热水的水环状物施加热脉冲。在图11和12所示的实验中，油与环状物中的水之间仅仅10℃的温差足以提供合理的结果。

[0098] 在该实验中，在油的整体流动中直接测量温度。这在生产环境中是不可取的。备选方案为测量与图12所示提供相同信息的(外)管壁温度。在环状物中使用热水的其他情况下，同样可能监测加热脉冲期间的水温及从入口到出口的温度下降，如图10所示。

[0099] 在蜡钻塔中进行的实验：油在常温(20℃)下穿过测试段循环一周。在围绕测试段的环状物中循环冷水(10℃)。油与管壁之间产生的温度差使得集结在油管中的蜡沉积。这通过上升的测量压降示出。为了测试在此提出的理念，每天通过将环状物中的水温提高到30℃而执行短的(5分钟)加热脉冲。记录这些脉冲期间油的温差(入口对比出口)(对于该配置通常大约0.1℃-0.3℃)。

[0100] 图12所示的实验结果为由每天执行的加热脉冲计算的蜡厚度。增长速率和最终厚度与其他测量吻合。

[0101] 根据本发明的清除蜡和测量蜡厚度的方法，提供了非侵入性、较便宜、精确且可经常用于测量及清除集结的蜡沉积，无需位于主流中的任何装备，因此仍然具有清洁的清理器路径。

[0102] 此外，对于较长管段通过在中间点测量温度可

[0103] ·经常地，例如每天，因此具有对蜡厚度增长的明确控制，及对反作用的正确时刻的指示，例如通过加热脉冲清除蜡，以及

[0104] ·经济高效地，如果为测量目的能再次使用诸如水环状物的相同的处理设备[0105] 从而测量集结的蜡沉积的空间依赖关系。

[0106] 由于在移除加热脉冲的相同点测量加热脉冲，这种蜡厚度的测量可用于决定如上所述的蜡清除加热脉冲是否必须。