用于开始或重新开始凝胶化流体的流动的辅助系统和方法与流程
本发明涉及用于开始或重新开始凝胶化流体的流动的系统和方法。
背景技术：
某些流体凝胶在被置于接近或低于流动点的温度时凝胶化。温度越低，所形成的凝胶将越接近固体。凝胶化过程减小或完全地去除这些流体的流动性，基本上是在这些流体被长期放置之后。特别地，对于石油以及石蜡燃料油，由于流体中的石蜡晶体的形成而发生凝胶化过程。
在用于流体流动的管线(比如石油生产线)中经常遇到该凝胶化问题。在这些情况下，尤其是在由于维修操作或者任何类型的应急操作而需要中断生产过程的情况下，存在于管线中的燃料油可能在管线内部凝胶化。
凝胶化过程在为海底井所安装的生产管线中更剧烈。这是因为低的环境温度导致形成具有甚至更刚硬的稠度的凝胶。
为了使凝胶化流体再一次开始流动，必须通过剪切使凝胶结构分解/破裂，如现有技术中已知的。在这些过程中，在至少一个点处对流动的流体加压。这使得使流动压力增加至克服所形成的凝胶的阻力的程度，直至流动流体重新获得其流动特性。然后可使压力减小。
因此，随着凝胶化结构分解，流体的粘度继续减小。由于该原因，当在管中开始流动或者在生产中断之后重新开始流动时，流体的粘度保持为高的直至凝胶分解过程完全地结束。
因此，由于凝胶化流体的高的粘度，流动的最初的时期沿管在加压位置处体现压力峰值。这些压力高于在永久系统中所使用的常用压力，并且可在对流体加压的端处发现最高压力。这种额外的加压可能引起比如管线的断裂的事故。
开始或重新开始凝胶化流体的流动的过程通常包括在具有圆柱形横截面的管中使用传统的液压泵。
由泵加压的流体在管壁上承受剪切，这引起凝胶的沿管的整个长度的逐步分解。在海底石油勘探期间，可能需要使流动开始/重新开始，以将石蜡油从井抽取至勘探平台，以及从勘探平台抽取至海岸；并且该路线可能延伸达几百千米。因此，由于海底的低温和管的长度，使凝胶分解所需的压力可能非常高。
所需的高压力可能超过设计的泵的压力或者关联的管和设备的安全操作压力。
已经提出了解决凝胶化问题的各种方式，包括在燃料成分中使用添加剂，该添加剂减小管线中的流体的粘度。例如，专利us3,048,479探讨作为添加剂的乙烯共聚物和c3-c5乙烯酯的使用，该添加剂降低燃料的流动点。类似地，专利us3,961,916使用双重作用共聚物的混合物，以防止石蜡晶体的生长。
专利gb1,263,152建议，可通过具有低的侧链分支度的共聚物控制石蜡晶体的尺寸。
专利ep0,113,581a1继而提出用于具有特定的蒸馏范围和沸点范围的石油衍生燃料的乙烯共聚物添加剂和乙烯酯添加剂的特定的混合物；并且最后，专利us6,110,238提出使用共聚物添加剂，以改进具有窄的蒸馏范围和高的沸腾极限的燃料油在低温下的流动性。
用于运输凝胶化流体的物理过程也是多个专利的主题。
除了其它方法之外，专利us2,958,333a探讨使用湍流来防止管中的流体的积聚和停滞。该专利提议将经加压的流体注射至管中以维持高水平的湍流。
为了解决同一问题，专利us4,745,937a探讨使用具有低粘度的流体(比如水)的最初的流动，以便增加先前静止的油的流动直至获得稳定状态的流动，从而只有获得稳定状态的流动时才将油重新引导至管中并且流动重新开始。
文献us3,780,751a公开一种用于重新启动被凝胶化流体堵塞的管的部分的方法，其中低于正常压力的压力被施加。根据来自us3,780,751a的方法，所述管的部分包括用于注射流体的相间隔开的位置，其中流体在受控压力下被注射。所注射的流体“打破”凝胶化流体的部分成段，从而分解凝胶所需的压力减小。
文献us4,104,171a公开一种用于减小将被冷冻至流体的凝胶化点的流体重新启动所需的力的过程。来自us4,104,171a的过程包括将多种间隔流体插入至石油塔中，将所述石油塔分成液压地隔离的段，以此减小再一次启动管所需的能量的量。
文献us3,780,750a公开一种用于促进凝胶化石油的流动的恢复的方法，其中将一部分凝胶化流体从管移出，这使得液体石油流动通过先前被凝胶化液体所占据的管。然后，使凝胶化流体返回至管。
文献us3,791,395a公开一种用于恢复被凝胶化流体堵塞的管中的流动的方法，其中对凝胶化液体施加脉冲压力或周期压力，从而使液体逐步地分解。在凝胶化流体分解之后，可使泵所施加的流动压力恢复正常。
因此，在现有技术中所公开的用于恢复管中的流动的所有的方法和系统在流动重新开始的时刻产生高的压力峰值，或者涉及在燃料混合物中使用添加剂以便减小该燃料混合物的粘度。如先前所提到的，第一种选项可能使管中发生事故的风险增加，而第二种选项需要不间断的财务资源。
技术实现要素：
本发明的主要目标是提供用于重新开始管中的流动的系统和方法，使得能够使凝胶化流体分解而不会在管的各个位置处引起高的压力峰值并且不需要在流体中使用化学添加剂。
因此，为了达到该目标，本发明提供一种用于开始或重新开始凝胶化流体的流动的系统，所述系统包括以下一者或多者：管线；流体地连接至所述管线的释放箱，其中所述释放箱适合于从所述管线接收流体；以及在所述释放箱的上游的加压元件，该加压元件适合于对所述管线中的流体加压。
还提供一种用于开始或重新开始管线中的凝胶化流体的流动的方法，所述管线具有流体地连接至所述管线的释放箱并且具有在所述释放箱的上游的加压元件，其中所述方法包括以下步骤中的一个或多个：所述加压元件使所述管线中的压力增加；以及至少部分地将所述释放箱填充以来自所述管线的流体。
还提供一种释放箱，在用于开始或重新开始管线中的凝胶化流体的流动的系统中使用，所述释放箱能流体地连接至所述管线，并且适合于从所述管线接收流体。
还提供一种用于开始或重新开始包含于管线中的凝胶化流体的流动的辅助系统，包括：流体地连接至所述管线的至少一个释放箱，其中至少一个释放箱适合于从所述管线接收流体；以及在至少一个释放箱的上游的至少一个加压元件，该至少一个加压元件适合于对所述管线中的流体加压。另外，本发明还提供一种用于开始或重新开始管线中的凝胶化流体的流动的辅助方法，所述管线包括流体地连接至所述管线的至少一个箱以及在至少一个箱的上游的至少一个加压元件，其中所述方法包括步骤：在过程开始时，所述加压元件使所述管线中的压力增加以及将至少一个箱至少部分地填充以来自所述管线的流体。
本发明提供一种用于开始或重新开始凝胶化流体的流动的辅助系统，该辅助系统包括管线，其特征在于，所述辅助系统包括以下一个或多个：流体地连接至所述管线的至少一个释放箱，其中至少一个释放箱适合于从所述管线接收流体；以及在至少一个箱的上游的至少一个加压元件，该至少一个加压元件适合于对所述管线中的流体加压。
在某些实施例中，至少一个释放箱包括用于朝向所述管线排出包含于至少一个释放箱中的流体的装置。
在某些实施例中，至少一个释放箱包括用于承载能量的装置，该装置适合于：在所述箱被填充以来自所述管线的流体时承载能量并使用所承载的能量将包含于箱内部的流体排出至所述管线中。
在某些实施例中，释放箱包括自由活塞，该自由活塞包括分隔器元件，所述分隔器元件将所述释放箱分隔成：用于接收所述管线中的凝胶化流体的室；和包括有用于承载能量的装置的室。
在某些实施例中，用于承载能量的装置为：气体、流体、弹性元件、螺旋弹簧、以及泡沫。
在某些实施例中，用于承载能量的装置具有自动地释放所承载的能量的能力。
在某些实施例中，所述系统包括沿管线分布的许多释放箱。
本发明还提供一种用于开始或重新开始管线中的凝胶化流体的流动的方法，所述管线包括流体地连接至所述管线的至少一个箱和在至少一个释放箱的上游的至少一个加压元件，其特征在于，所述方法包括以下步骤中的一个或多个：在过程开始时，加压元件使所述管线中的压力增加；以及将至少一个箱至少部分地填充以来自所述管线的流体。
在某些实施例中，当管线中的压力减小时，至少一个释放箱朝向管线排出包含于至少一个释放箱中的流体。
在某些实施例中，至少一个箱包括用于承载能量的装置，其中所述用于承载能量的装置执行以下步骤：在箱被填充以来自管线的流体时承载能量，以及在所述管线中的压力减小时使用所承载的能量将包含于箱内部的流体排出至所述管线中。
在某些实施例中，当管线中的压力减小时，用于承载能量的装置自动地释放所承载的能量。
附图说明
以下所呈现的具体描述参考附图和附图的相应的附图标记，这些附图和附图的相应的附图标记代表本发明的实施例。
图1示出本发明的用于开始或重新开始凝胶化流体的流动的系统的可选择的实施例。
图2示出本发明的用于所述系统的释放箱的可选择的构造。
图3示出用于在不使用本发明的释放箱的情况下恢复凝胶化流体的流动的过程的数字模拟的结果。
图4示出用于在使用本发明的释放箱的情况下恢复凝胶化流体的流动的过程的数字模拟的结果。
图5示出在不使用本发明的释放箱的情况下恢复凝胶化流体的流动的实验的结果。
图6示出在使用本发明的释放箱的情况下恢复凝胶化流体的流动的实验的结果。
具体实施方式
本发明涉及用于开始或重新开始凝胶化流体的流动的系统和方法。虽然以下描述涉及处理燃料油、特别是石油的系统和方法，但是对于本领域的任何技术人员而言显而易见的是，将可以将这些教导应用于可能经历凝胶化过程的任何类型的流体。
图1示出传统的管线11和本发明的可选择的实施例，其中示出用于开始或重新开始凝胶化流体的流动的系统。系统包含管线12，以及流体地连接至管线12的至少一个释放箱13。至少一个加压元件(15)可设置于所述至少一个释放箱13的上游。
通常，如已经描述的，为了开始或重新开始管线12中的凝胶化流体的流动，需要使加压元件(15)所施加的压力增加。这是因为凝胶化流体的粘度大于呈液体形式的该流体的粘度，所以需要更大的压力来使得凝胶化流体流动通过管线12。
然而，对于本发明的系统，压力的增加量减小。这是因为凝胶化流体14倾向于被排出至流体地连接至管线12的释放箱13中。这是由于释放箱13最初为空的。因此，与凝胶化流体14为了流动通过填充有凝胶化流体的管线12将遇到的阻力相比，为了流动至释放箱13中，凝胶化流体遇到更小的阻力。
另外，管线的填充有凝胶化流体14的延伸部长度越大，使所述流体流动所需的压力越大。通过使用至少一个释放箱13，使管线12中的凝胶化流体14的总量减小，还使管的填充有凝胶化流体14的延伸部长度减小。如此，与现有技术的系统(不使用释放箱13)相比，使凝胶化流体流动所需的压力的增量减小。
回到图1，考虑管被设计成使得流体从左向右流动，加压元件(15)优选地定位于至少一个释放箱13的上游。因此，在管线12填充有凝胶化流体的情况下，当开始或重新开始流动时，包含于管线的、在加压元件(15)的下游和至少一个释放箱13的上游的延伸部(阴影线部分14)中的流体的部分在流动的最初的阶段期间将朝向释放箱13流动。如先前所提到的，这是由于在箱的上游的凝胶化的流体在其流动至箱中时所遇到的液压阻力低于使在箱之前的全部流体在管中运动所需的力，其中所述流体中的部分或全部可能仍然为凝胶化的。
因此，考虑到凝胶化流体运动至释放箱13中，部分14的流体的体积为最初运动的仅有体积，该体积小于将流动通过整个管的流体的总体积。在这种情况下，可使箱13的上游的流体最初地分解而不影响管线12中的剩余流体。因此，使这些量的凝胶化流体分解所需的压力低于使管线12中的全部的凝胶化流体破裂所需的压力。
一旦最初的量的凝胶14被分解，施加至图1中的管线12的左端的压力就被接着传递至箱的下游的流体，所述箱的下游的流体也可接着被解体。
与同时使全部的凝胶化结构分解的情况相比，凝胶化结构的这种分阶段的分解减小使流动开始所需的压力。
一旦凝胶分解完成，并且压力减小，就可使运动至释放箱13中的流体运动返回至管线12中，如以下更具体地讨论的。这使系统能够被重置，并且被再一次使用。
在替代的构造中，可使用许多相间隔开的释放箱13，以使得管线12的更长的延伸部被覆盖。对于给定长度的管线12，在使流动重新开始时所需的压力将随着沿管分布的箱的数量增加而减小。
应当指出的是，考虑了许多构造，其中可使用多个箱，和一个以上的加压元件。即，加压元件(15)可用来克服管线12的与单个箱13相关联的一部分中的凝胶化，而设置另一个加压元件以克服管线12的与另一个箱13相关联的下一个部分中的凝胶化，并且沿管线12如此继续。在其它布置中，每一加压元件均可用来克服管线12的与两个或更多个箱13相关联的一部分中的凝胶化。
另外，本发明还提供一种用于开始或重新开始管线12中的凝胶化流体的流动的方法，所述管线包括流体地连接11至管线12的至少一个箱以及在至少一个箱的上游的至少一个加压元件(15)。所述方法可包括以下步骤：在过程开始时，将至少一个箱至少部分地填充以凝胶化流体。
图2示出用于本发明的系统的释放箱13的可选择的构造，其中所述箱包括能量储存部分25，作为用于承载/储存能量的装置25。能量储存部分25可适合于在箱被填充以来自管线12的流体时承载能量；并且还适合于使用所承载的能量将包含于该能量储存部分内部的流体排出至管线12中。
特别地，在所示构造中，示出了包括有分隔器元件24的自由活塞，该自由活塞将释放箱13分隔成：用于从管线接收凝胶化流体的室23；和包括有能量储存部分25的室。
因此，在开始或重新开始操作时，通过管线12中的压力的增加，凝胶化流体从管线12朝向用于接收凝胶化流体的室23被按压至箱中。凝胶化流体至箱13中的这种流动使分隔器元件24运动，以便压缩包括有能量储存部分25的室内的能量储存部分25。压缩致使能量储存部分25承载能量(亦即储存能量)。然后，如已经陈述的，当管线12中的流动稳定并且管线12中的压力减小时，能量储存部分25开始释放能量，将凝胶化流体按压返回至管线12中。
在可选择的构造中，能量储存部分25包括气体，其中包括有能量储存部分25的室为密封的并且被填充有气体，以使得对气体的压缩为用于使该能量储存部分25承载能量的方法。因此，当管线12的压力增加时，包括有能量储存部分25的室中的气体被压缩，使管线12中的凝胶化流体能够迁移至接收凝胶化流体的室23中。通过活塞24的运动，能量储存部分25中的气体所占据的体积减小，而用于接收凝胶化流体的室23中的凝胶化流体的体积增加。减小能量储存部分25的体积使该能量储存部分中的气体的压力增加，换言之，气体在其被压缩时承载能量。
随着管中的压力减小，包含能量储存部分25的室内部的压缩气体按压分隔器元件24，以便将凝胶化流体排出返回至管线12中。
应当指出的是，能量储存部分25可为用于承载或储存能量的任何装置或设备25，比如弹性元件、弹簧(螺旋的或其他形式的)、各种其它气体流体、充气泡沫、或者任何已知的能量承载元件。
优选地，能量储存部分25还具有自动地释放所承载的能量的能力，其中，如气体那样(气体通过其膨胀释放所承载的能量)，该能量储存部分像弹簧一样通过回撤/扩张释放所承载的能量。
在替代的构造中，可使用机械系统或电动系统来当管线12中的流动已经恢复正常时将凝胶化流体从室排出。在这样的情况下，可在释放箱13中设置例如活塞，以使得当释放箱13被填充并且流动在管线12中重新开始/开始时，启动活塞(手动地或者自动地)以便将凝胶化流体按压返回至管线12中。
应当指出的是，用于接收管线12中的凝胶化流体的释放箱13的体积将根据每一应用变化，亦即所述体积根据需要被分解的凝胶化流体的体积、所使用的释放箱的数量、管中的最大允许压力等等变化。
应当强调的是，本发明涉及使用一个或多个压力释放箱，包括以均等的或不同的距离分布在整个管(凝胶化流体将流动通过该管)各处的多个所述箱。箱可选择地在管的运作期间接收流体和使流体返回至管。箱还可具有相同的或不同的最大容量。所公开的方法可用来开始涉及运输凝胶化流体的首次操作或者在生产中断(其中在管线12中形成凝胶化流体)之后被使用。
还要着重指出的是，若需要，本发明所提出的解决方案可与现有技术中已知的其它解决方案结合使用。
因此，总而言之，本发明提供一种包括管线12的、用于开始或重新开始凝胶化流体的流动的辅助系统，其中所述辅助系统包括：流体地连接至管线12的至少一个释放箱13，其中至少一个释放箱13适合于从管线12接收流体；以及在至少一个箱的上游的至少一个加压元件(15)，该至少一个加压元件适合于对管线12中的流体加压。
可选择地，至少一个释放箱13包括用于将包含于至少一个释放箱13中的流体朝向管线12排出的机构。
可选择地，至少一个释放箱13包括能量储存部分25，该能量储存部分适合于：在箱被填充以来自管线12的流体时承载能量；并且使用所承载的能量将包含于箱中的流体排出至管线12中。
可选择地，释放箱13包括自由活塞，该自由活塞包括分隔器元件24，所述分隔器元件将释放箱13分隔成：用于接收管线12中的凝胶化流体的室23；和包括有能量储存部分25的室。
可选择地，能量储存部分25包括：气体、流体、弹性元件、以及泡沫。
可选择地，能量储存部分具有自动地释放所承载的能量的能力。
可选择地，系统包括多个释放箱。
另外，本发明还提供一种用于开始或重新开始在管线12中的凝胶化流体的流动的辅助方法，所述管线包括流体地连接11至管线12的至少一个箱以及在至少一个箱的上游的至少一个加压元件(15)，其中所述方法包括步骤：在过程开始时，加压元件(15)使管线12中的压力增加并且将至少一个箱至少部分地填充以来自管线12的流体。
可选择地，当管线12中的压力减小时，至少一个箱朝向管线12排出包含于至少一个释放箱13中的流体。
可选择地，至少一个箱包括能量储存部分25，其中能量储存部分25执行步骤：当箱被填充以来自管线12的流体时承载能量；并且当管线12中的压力减小时使用所承载的能量将包含于箱内部的流体排出至管线12中。
可选择地，能量储存部分25在管线12中的压力减小时自动地释放所承载的能量。
如oliveira和
使用该模拟，可评估在凝胶化流体的流动重新开始时管内部的压力的发展。为此，认为流体在流动开始之前的时刻在整个管内部完全地凝胶化(在长期的放置之后出现这种情况)。最初，通过液压泵所提供的恒定流动在不具有压力释放箱的管的入口处对流体加压。图3示出了该模拟的数字模拟的结果。
在图3中，轴3.1和3.2分别代表管的入口端处的压力以及在开始对流体的加压之后所经过的时间。竖直箭头3.3代表在开始加压之后，管的入口处的不同的时间点处的压力值(p1、p2、p3、p4、p5、等等，pn)，并且线示出了总体趋势。应当指出的是，压力几乎线性地增加直至(p1)，然后增长率由于管的入口附近的凝胶的破裂而稍微地减小至(p2)，并且压力继续几乎线性地增长直至(p4)，在此之后压力在凝胶已经在管中完全地破裂之后最终减小至(pn)。
然后在其中应用有在本发明中所描述的系统的管中执行第二模拟。对于本模拟，单个释放箱13被放置于管的中间点处。模拟的条件(比如管长度值和管直径值，以及凝胶化油的特性)保持与第一模拟的相同。在图4中示出端部(流体在该端部进入管)的、使用与先前所使用的相同的方法所生成的压力图。
轴4.1和4.2分别代表管的入口端处的压力以及在开始对流体加压之后所经过的时间。竖直箭头4.3代表在开始对具有压力释放箱13的管加压之后，管的入口处的、不同的时间点处的压力值(p’1、p’2、p’3、p’4、p’5、等等，p’n)。
针对使用箱的实例的模拟在流动重新开始时形成最大压力值p’5，该值显著地低于针对不具有箱的实例所得到的最大压力p4(这一点可通过比较每一图中的峰值与由于在两个模拟中使用相同的管参数而具有相同的值的(pn)和(p’n)看出)。因为其它变量保持与前一个实验相同，因此仅仅通过使用释放箱13使得管的入口处的峰值压力减小。应当指出的是，所获得的结果与几何条件以及针对凝胶所确定的特性有关，并且因此该结果仅仅代表所述方法在特定的情景中的应用的压力减小潜能。
此外，还建立了试验台，以便在使用或不使用本发明的系统的情况下测量在凝胶化流体的流动重新开始时的压力。为此，采用包含有固定的凝胶化流体(石油)的管，连同管的入口处的压力传感器；液压泵；以及压力释放箱13，该压力释放箱包含自由活塞和气体室，如在本发明的可选择的构造中的一个中所描述的。
图5呈现不具有箱的实例的在实验上重新开始流动的结果。轴5.1和5.2分别代表管的入口端处的压力和开始对流体加压之后所经过的时间。竖直箭头5.3代表管的入口处的在开始加压之后的不同的时间点处的压力值(p6、p7、p8、p9、等等、pm)。应当指出的是，压力几乎线性地增加直至最大值(p6)并且接着连续地减小直至(pm)。
图6继而呈现在管的中间点处使用箱的实例的、实验性的恢复流动的结果。轴6.1和6.2分别代表管的入口端处的压力和开始对流体加压之后所经过的时间。竖直箭头6.3代表管的入口处的在开始加压之后的不同的时间点处的压力值(p’6、p’7、p’8、p’9、等等、p’m)。可观察到，当与不具有箱的管的入口处的最大压力(p6)相比时，具有箱的管的入口处的最大压力(p’9)显著减小(同样，可通过将峰值与由于所使用的相同的管而为相同的值的(pm)和(p’m)的值相比较而理解这一点)。
因此，根据上文和所执行的实验，显而易见的是，本文中所描述的公开提供用于解决开始或重新开始具有凝胶化流体的管线中的流动的问题的创新的方法和系统。对上述装置和方法的修改、可实行的不同的变形之间的组合、以及本发明的对于本领域的技术人员而言为显而易见的各个方面的变形旨在包括于权利要求书的精神和范围内。
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