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Library of Congress Cataloging-in-Publication Data Available on Request
Thomas O. Miesner and Leffler, William L.
Oil and Gas Pipelines in Nontechnical Language
Includes index
ISBN 1-59370-058-X
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Printed in the United States of America
1 2 3 4 5 10 09 08 07 06
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This book is dedicated to pipeliners, from the early entrepreneurs in
Pennsylvania and Baku to the modern-day technicians. The efforts of these
people have supplied us with crude oil, natural gas, gasoline, jet, diesel,
and home-heating fuels virtually continuously for more than 100 years.
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Contents
Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xvii
1 How Pipelines Differ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Crude Oil Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
Refined Products Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Natural Gas Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Pipeline Customers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
2 The First Leg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Creating Nostalgia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
Enter Competition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Oily Beginnings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Gaseous Progress . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Endeavor and Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Disturbed Interests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
The Russians . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Separate Ways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
The Great Offshore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Diversity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Shifting Sands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3 How Pipelines Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
The Physics of Fluid Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Municipal Water Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Friction Losses, Pipe Lengths, and Flow Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Splitting flows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
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viii Oil and Gas Pipelines in Nontechnical Language
Hydraulic Properties of Hydrocarbon Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Measures and dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Viscosity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Pour point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Vapor pressure and evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Compressibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Why gases behave that way . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Basic Flow Principles and Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
The First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Bernoulli’s equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Flow characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Friction loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Elevation loss (or gain) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Flow rates and capacities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4 Oil Pipeline Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Crude Oil Lines—a Brief Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Refined Products Lines—a Brief Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Field Operations to Central Control Room . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Crude oil receipt and delivery field operations . . . . . . . . . . . . 59
Refined products receipt and delivery field operations . . . . . 62
Central Control Room Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Planning and scheduling operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
The scheduler’s role . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
The controller’s role . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Hydraulic concepts—practical applications
in mainline operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
The Control Room . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Routine operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Abnormal operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Operator Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
5 Natural Gas Pipeline Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Natural Gas Lines—a Brief Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Gathering lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Gas processing plants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Receipts from LNG facilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Pipeline hubs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
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Contents ix
From Field Operations to Central Control Room Operations . . . . 94
Natural gas field operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Natural gas delivery operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Central Control Rooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Planning and scheduling operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Monitoring and controlling the pipeline . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Hydraulic concepts—optimizing line operation . . . . . . . . . . . 104
Routine operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Quality control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Abnormal operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Operator Training . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
6 Petrochemical and LPG Pipeline Operations . . . . . . . . 109
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Product Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
C4 products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
C3 products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
C2 products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Compressibility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Leak Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Commissioning and Decommissioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Freezing temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Addendum—Supercritical Fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7 Offshore Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Line Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Installing Subsea Pipelines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
The boon and bane of buoyancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Laying pipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
S-lay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
J-lay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Reel barge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Tow-in . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Bottom Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
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x Oil and Gas Pipelines in Nontechnical Language
Risers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Attached risers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Pull tubes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Steel catenary riser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Top-tensioned risers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Riser tower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Flexible risers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
ROVs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8 SCADA, Controls, and Leak Detection . . . . . . . . . . . . . . 139
SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Design and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Human versus computer decision making . . . . . . . . . . . . . . . 141
Local or central control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Manual or automated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Communications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Human machine interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Real-time operating data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Configuration tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Application interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Historic database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
Amount of data to gather . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Update frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Update process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Corrupted data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Indicators, alarms, and alarm filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
SCADA performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Data sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Reports and logs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
SCADA in summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Local SCADA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Leak Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Leaks and releases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Leak detection systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Leak detection methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Internal systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
External systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
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Description:Oil & Gas Pipelines in Nontechnical Language examines the processes, techniques, equipment, and facilities used to transport liquids such as refined products, crude oil, natural gas, and natural gas liquids through cross-country pipelines.Topics include the importance of the pipeline infrastructure;
