ТРЕХФАЗНЫЙ ЭЛЕКТРОАППАРАТ ДЛЯ ДЕЭМУЛЬСАЦИИ СЫРОЙ НЕФТИ И ГАЗОВОГО КОНДЕНСАТА

Трехфазный электроаппарат Голубовского для деэмульсации сырой нефти и газового конденсата, обеспечивающий повышение надежности оперативного воздействия на проведение электрообработки сырой нефти и газового конденсата в поле высокого напряжения и повышение глубины обезвоживания углеводородного сырья на промыслах.
Изобретение относится к продукции нефтяного машиностроения, где приготавливаются устройства для обезвоживания нефтяных эмульсий при подогреве сырой нефти.
Технический результат изобретения заключается в упорядочении внутри аппарата пространственного движения подогретого трехфазного потока, поступающего по трубопроводам из скважин, и достижении повышенной надежности использования электрического поля при подаче высокого напряжения.
Известно, что электроаппарат, включающий в себя горизонтальную емкость, разделенную перегородками и состоящую из нагревательной камеры с жаровой и дымовой трубами и отстойной камеры. Он оснащаются в отстойной камере электродными системами, состоящими из одного и более решетчатых электродов, располагающихся на выходе обрабатываемой эмульсии для осуществления обработки товарной нефти и газового конденсата в электрическом поле высокого напряжения. Отстойная камера, как правило, имеет раздельные патрубки отвода очищенной нефти, газа и воды.
В соответствии с патентом US №6207032 (Кл. 204/660) предусматривается конструкция электроаппарата, когда электроды располагаются в отстойной камере, собирающей одновременно все три фазы, на которые разделяется поток
сырья: газ, нефть и воду. Подобное решение для электроаппарата с потенциальными электродами высокого напряжения не позволяло в конкретных условиях обеспечивать оптимальные условия по надежности и безопасности эксплуатации электрических элементов конструкции и аппарата в целом. Особенно большие трудности вызывало решение вопросов подвески потенциальных элементов электродной системы на подвесных изоляторах и подвод высокого напряжения к электродам от внешних источников питания через проходные изоляторы. Трудности в принятии рациональных конструктивных шагов были связаны с наличием в отстойной камере обязательного слоя газа - «газовой подушки». Пробивная прочность зазоров между потенциальными элементами конструкции электроаппарата, а также токопроводами к электродам и заземленным корпусом оказывалась на порядок ниже, чем в случаях надежного заполнения этих зазоров нефтью. Электроаппарат с газовой подушкой требовал регулярных замен дефектных изоляторов.
Известный шаг в создании конструкции надежного электроаппарата был предпринят в патенте US №3255571 (Кл. 204/563), где путем размещения электродной системы в специальном коробе, представляющем открытый снизу колокол, во внутрь которого подводилось высокое напряжение. Полного снятия опасности электрических пробоев по газу не удалось, т.к. «газовая подушка» оставалась на протяжении всей горизонтальной емкости электроаппарата, в том числе в коробе с потенциальным электродом.
Наиболее удачное по достигаемому результату решение вопроса о пробое в «газовой подушке» предложено в патенте US №3401501 (Кл. 204/563). Однако в патенте рассматривается не горизонтальный электроаппарат трехфазного разделения сырой нефти, а вертикальный разделитель эмульсии колонного типа. Расположение точки вывода нефти на несколько метров выше уровня вывода газа, как обязательное следствие, предполагает смещение дегазации нефти в
таком трехфазном разделителе в зону размещения электродной системы, и флотация водяных капелек большим количеством газовых пузырьков вызывала снижение достигаемого качества нефти.
Таким образом, требуется новый подход к созданию конструкции электроаппарата для деэмульсации сырой нефти и газового конденсата, обеспечивающей повышение надежности оперативного воздействия на проведение электрообработки сырой нефти и газового конденсата в поле высокого напряжения и повышение глубины обезвоживания углеводородного сырья на промыслах.
Для обработки эмульсий сырой нефти и газового конденсата в электроаппарате с подогревом требуется специальный подход к способу организации и управления уровнями, особенно «газовой подушкой», при трехфазном разделении в горизонтально секционированном аппарате. В частности требуется создание конструкции и оптимизация конструктивных параметров за счет включения в конструкцию одной или двух новых секционирующих перегородок, которые бы освободили всю конструкцию электроаппарата от вышеупомянутых недостатков.
Краткое изложение сущности изобретения.
Задачей настоящего изобретения является решение вышеописанной проблемы, связанной, в конечном счете, с газовой подушкой и положением уровня раздела «нефть-вода» в отстойной камере, вмещающей зону расположения электродов для обработки углеводородного потока в электрическом поле высокого напряжения. Качество работы трехфазного электроаппарата в целом рассматривается в совокупности на пути повышении надежности подвески потенциальных элементов электродной системы и элементов подачи тока в аппарат, а также эффективности использования электрического поля при устойчивой подаче высокого напряжения на электроды.
Эта и другие задачи, которые будут понятны из следующего ниже описания изобретения, решаются посредством применения для трехфазного разделения конструкции электроаппарата с отстойной камерой разделенной глухой перегородкой на две полукамеры по ходу горизонтального продвижения отстоявшейся воды по аппарату, и применения обводного трубопровода сепарированного газа из камеры нагрева во вновь образованную камеру отстойной части для воды, имеющего регулируемое гидравлическое сопротивление.
Предпочтительно в электроаппарате, оснащенном дополнительной перегородкой имеются патрубки и трубопроводы для управляемого перепуска отстоявшейся воды из камеры нагрева и из подэлектродной зоны во вновь образованную камеру отстойной части для воды.
В других вариантах осуществления изобретения оговаривается наличие специальных конструктивных элементов электроаппарата для управления положением уровней жидкостей в нем, в т.ч. использование специального насоса, установленного в непосредственной близости от корпуса емкости.
Изобретение и многие его преимущества будут описаны подробно ниже со ссылками на прилагаемые чертежи и схемы, на которых показаны все конструктивные исполнения.
Фиг.1. - изображает трехфазный электроаппарат Голубовского для деэмульсации сырой нефти и газового конденсата.
Фиг.2. - изображает трехфазный электроаппарат с насосом возврата масляной пленки с поверхности отстоявшейся воды.
Фиг.3. - изображает трехфазный электроаппарат Голубовского по фиг.1 и 2 с централизованным пунктом управления и перепуском воды между камерами.
Фиг.4. - Разрез А-А с фиг.3.
Фиг.5. - Схема движения потоков в трехфазном электроаппарате Голубовского по фиг.1 (плакат) с расположением объемных зон скопления газа, нефти и воды.
Фиг.6. - изображает схему размещения зарядов в электроаппарате при подаче силового электропитания на потенциальный электрод.
Описание предпочтительного конструктивного исполнения.
На фиг.1 ясно показано, что в общем случае трехфазный электроаппарат Голубовского для деэмульсации сырой нефти и газового конденсата представляет собой горизонтальную емкость 1 с жаровой и дымовой трубами 2-3, разделенную по длине на нагревательную 4 и отстойную 5 камеры с патрубком ввода сырья 6 и патрубками раздельного отвода очищенной нефти 7, газа 8 и воды 9, переливной и распределительной 10-11 перегородками и гидравлическими распределителями 12, закрепленными на распределительной перегородке 11 под электродами 13, предназначенными для обработки нефти в электрическом поле высокого напряжения. Отстойная камера 5 разделена глухой перегородкой 14 на две полукамеры по ходу отстоявшейся воды: на полукамеру-зону очистки нефти в электрическом поле 15 и полукамеру-зону сбора отстоявшейся воды 16, соединенную с камерой нагрева 4 обводным трубопроводом сепарированного газа 17, имеющим регулируемое гидравлическое сопротивление 18.
На фиг.2 показан вариант исполнения электроаппарата, где гидравлические распределители 12 по верхней образующей оснащены патрубками 19 и наклонным коллектором 20 для отвода газа из полукамеры-зоны очистки нефти 15, связанным с полукамерой-зоной сбора отстоявшейся воды 16. В верхней части полукамеры-зоны сбора отстоявшейся воды 16 установлен вертикальный колпак-каплеотбойник 21 со струнными сепараторами 22 очистки газа от
капельного уноса. Каждый наклонный коллектор 20 оснащен вертикальным стояком 23, заканчивающимся на уровне ввода обводного трубопровода 17 в колпак-каплеотбойник 21.
На фиг.2 также показано, что полукамера-зона отстоявшейся воды 16 имеет патрубок вывода воды с нефтяной пленкой 24, связанный с внутренним объемом стояком слива нефтяной пленки 25. Для возврата нефтяной пленки из полукамеры-зоны сбора отстоявшейся воды распределительные коллекторы 12 оборудованы внутренними коллекторами 26, а сам электроаппарат оборудован специальным насосом 27, установленным в непосредственной близости от корпуса электроаппарата. Трубопроводная обвязка насоса 27 выполнена таким образом, что дополнительно к непосредственной подаче возвращаемого потока воды с пленкой нефти предусмотрена возможность подогрева потока, для чего на дымовой трубе 3 установлен встроенный теплообменник 28.
Потенциальный электрод 13 в полукамере-зоне очистки нефти в электрическом поле 15 закрепляется на подвесных изоляторах 29 и получает электропитание током высокого напряжения от трансформаторного источника 30 через проходной изолятор 31.
Фиг.3 показывает трехфазный электроаппарат Голубовского, описанный по фиг.1 и 2, с обвязкой внешними отходящими трубопроводами со стороны заднего днища при размещении на нем централизованного пункта управления аппаратом. Полукамера-зона сбора отстоявшейся воды 16, соединяется с камерой нагрева 4 внутренним обводным трубопроводом сепарированного газа 17, имеющим внешнее регулируемое гидравлическое сопротивление 18 и возвратный трубопровод 32, заканчивающийся в каплеотбойнике 21. Гидравлические распределители 12 оснащены патрубками 19 и наклонным коллектором 20 для отвода газа из полукамеры-зоны очистки нефти 15, связанным, как вариант, с камерой нагрева 4. Каждый наклонный коллектор
оснащен вертикальным стояком 23, заканчивающимся выше уровня нефти в камере нагрева 4.
Трехфазный электроаппарат в дополнение к малоразмерным переточным отверстиям 33 и патрубкам 34 в перегородках 10-11 и 14 имеет патрубки 35 и трубопровод 36 для управляемого перепуска отстоявшейся воды из камеры нагрева 4 в полукамеру-зону отстоявшейся воды 16.
На фиг.4 изображено сечение электроаппарата А-А с фиг.3, расположенное в полукамере-зоне очистки нефти 15. Электродная система представлена потенциальным электродом 13, закрепленным на подвесных изоляторах 29, а также заземленным электродом в виде решетки, заполняющей окно в горизонтальной тарелке 37.
Электроаппарат для деэмульсации сырой нефти и газового конденсата работает следующим образом.
Как ясно показано на схеме фиг.5, соответствующей рассмотренным чертежам, исходная эмульсия сырой нефти или газового конденсата поступает во внутрь корпуса 1 через штуцер 6 непосредственно в камеру нагрева 4 и заполняет весь горизонтальный аппарат, перетекая в последующие камеры и зоны через отверстия в перегородках 33 и 34.
Аппарат работает непрерывно, разделяя входящий поток на три составляющих: газ, нефть и воду. Трехфазное разделение начинается в момент поступления сырья в аппарат. В камере нагрева 4 жаровые трубы 2 обеспечивают подогрев жидкой фазы на 30...50°С, в результате чего к газовой фазе, поступившей из патрубка 6, добавляется газ, выделившийся из жидкости в результате снижения его растворимости при подъеме температуры потока и снижения давления по сравнению с давлением в подводящем трубопроводе.
Одновременно в нагревательной камере происходит первоначальное расслоение жидкости на нефть и воду, причем минерализованная пластовая вода из-за повышенного удельного веса оседает в нижнюю часть камеры 4.
Подогреваемая нефтяная эмульсия по мере поступления ее в аппарат переливается через сливную перегородку 10 и под давлением гидравлического столба жидкости и давления газа (потока), поступившего с сырьем через патрубок 6, перетекает в отстойную камеру разделения воды и нефти 5.
Переток эмульсии из камеры нагрева 4 в камеру 5 направляется отверстиями в глухой перегородке 11, на входе в которые установлены коалесцирующие насадочные блоки и к которым примыкают распределительные коллекторы 12. Отстойная камера 5 разделена глухой перегородкой 14 на две зоны 15 и 16, разнесенные по горизонту. Первая предназначена для электрической обработки эмульсии и получения товарной нефти, выводимой по трубопроводу 7, а вторая для сбора и окончательного отстоя минерализованной воды, осевшей в камере нагрева 4 и при разрушении нефтеводяной эмульсии в ходе получения очищенной нефти в зоне 15. Для вывода воды, получаемой в результате трехфазного разделения продукции скважин, служит патрубок 9.
На верхней образующей корпуса аппарата в зоне 16 сбора и отстоя минерализованной воды установлен колпак-каплеуловитель 21, из которого выводится очищенный газ по патрубку 8. Расположение уровней нефти и воды во всех зонах аппарата указано значком ###U8628. Особо следует отметить уровень воды, находящийся в зоне 16 и размещенный в колпаке-каплеуловителе. Выше указанного уровня в колпак поступает газ из камеры 4. Гидравлическое сопротивление обводного газопровода 17 и клапана 18 на нем определяет не только высокое положение уровня воды в зоне отстоя воды 16, но также одновременно гарантирует отсутствие газовой подушки в зоне 15, т.к. верхний уровень нефти здесь должен располагаться выше уровня воды в зоне 16.
Отсутствие газовой подушки в зоне получения чистой нефти 15 является основной целью настоящего изобретения, т.к. трехфазные электроаппарат Голубовского предназначен для достижения желаемой глубины обезвоживания нефти с использованием известного в технике метода разрушения эмульсии в
электрическом поле высокого напряжения (Ф.Грей. Добыча нефти., М. ОЛИМП-БИЗНЕС, 2006. стр.252). Требование обеспечить оптимальные условия по надежности и безопасности эксплуатации электрических элементов конструкции реализуется наиболее полно. Для этого в зоне аппарата 15, защищенной от газа, размещается электродная система 13 с внешними и внутренними узлами и деталями электропитания и монтажом всех потенциальных элементов конструкции: трансформатором 30, проходным изолятором 31 и подвесными изоляторами 29. Дополнительно для отвода газовых пузырей, неблагоприятно сказывающихся на оседании капель воды, укрупнившихся в электрическом поле электродной системы, применены газоотводные коллекторы 20. Особая необходимость в таких коллекторах продиктована тем, что нагрев жидкости в камере 4 на практике не является равномерным по всему объему обрабатываемого потока. В результате, как неоднократно отмечалось местными термопарами при эксплуатации механических трехфазников с подогревом при помощи жаровых труб, максимальная температура на переливе 10 демонстрируется выше на 20...25°С, чем температура перемешанного потока жидкости в зоне отстоя 5. В реальном аппарате перемешивание подогретых фрагментов жидкости происходит в слое между перегородками 10 и 11, и заканчивается в распределительных коллекторах 12. Перенос во времени и пространстве процесса окончательного подогрева фрагментов потока эмульсии, недополучивших свою порцию тепла и оставшиеся холодными в камере 4, по ходу продвижения потока приводит к тому, что они подогреваются до средней температуры и активно теряют растворенный газ в распределительных коллекторах 12. Местное выделение окклюдированного газа в коллекторах 12 приводит к формированию газовой подушки в каждом из коллекторов, и газ, выделяющийся здесь, требуется выводить по стоякам 23 в колпак-каплеотбойник выше уровня воды в нем.
Очистка потока газа, поступающего по обводному трубопроводу 17 в колпак-каплеотбойник, от увлеченных газом из камеры 4 капель жидкости производится в каплеуловителях 22, и сухой газ из аппарата выводится через патрубок 8. Уловленная в каплеуловителях капельная жидкость, состоящая в основном из нефти, стекает в зону 16 сбора отстойной воды, в результате на поверхности воды накапливается пленка нефти. К пленке добавляется нефть, вынесенная в зону 16 с отстойной водой камеры 4 и зоны 15 и отделившаяся от воды за время пребывания воды в зоне 16. Сюда же могут попадать капли и пленки нефти из стояков 23 при сбросе газа и пены из распределительных коллекторов 12. Предполагается непрерывный сбор этой нефтяной пленки и вывод ее из аппарата через штуцер 24, для чего в зоне 16 имеется сливной стояк 25. Выведенная из штуцера 24 жидкость при помощи насоса 27 возвращается в зону 15, для чего используется трубы-коллекторы 26, распределительные отверстия в которых находятся внутри коллекторов 12 (на фиг.4 не показаны). Кинетическая энергия струй воды, истекающей из отверстий, передается вязкой нефти, скопившейся в коллекторах 12, в результате чего она в виде раздробленных капель равномерно распределяется по поперечному сечению зоны 15 в слое воды под уровнем раздела «нефть-вода». Нефтяная пленка из зоны 16 присоединяется к товарной нефти и выводится вместе с ней. Такой способ подачи эмульсии, входящей на электрообработку предопределяет улучшение равномерности распределения восходящего потока нефти по горизонтальному сечению рабочего пространства зоны 15 и создает условия, когда процесс разделки двух несмешивающихся жидкостей идет непрерывно без образования промежуточного слоя большой толщины.
Повышение эффективности глубокого обезвоживания нефти в трехфазном электроаппарате достигается за счет использования тепла отходящих дымовых газов после подогрева основного потока сырья в камере нагрева 4, которое производится в теплообменниках 28, установленных на дымовых трубах, где
подогревается поток воды, подаваемый насосом 27. Полученное в теплообменнике тепло, возвращается в аппарат с потоком воды, отобранной через штуцер 24 вместе с пленкой нефти из зоны 16.
Как вариант конструктивного исполнения аппарата предусматривает возможность работы газоотводного трубопровода 20 с выходом его в камеру 4. Самопроизвольный выход газа, выделившегося в коллекторах 12, проходит по стояку 23, показанному также на фиг.3. Отсепарированный газ из камеры нагрева 4 и порции газа, поступившие из стояков 23, совместно могут перепускаться в колпак-каплеотбойник по трубопроводу 17, располагаемому внутри корпуса аппарата и после прохода через регулируемое гидравлическое сопротивление 18 направляются в каплеотбойник по трубе 32.
Отстоявшаяся вода в камере 4 может выводиться по трубопроводу 36, а вода из-под слоя нефти зоны 15 выводится из штуцера 35, и в управляемом режиме оба потока перепускаются в отстойную зону 16 при соблюдении заданных положений уровней отстоявшейся воды в зонах 4 и 15. Положение уровня воды в зоне 16 самоустанавливающаяся величина, как указано выше, зависящая от величины гидравлического сопротивления клапана 18 и при достаточно высокой величине сопротивления уровень воды располагается в колпаке-каплеотбойнике. Давление в аппарате поддерживается клапаном на выходящем потоке осушенного газа после штуцера 8.
На фиг.5 показана итоговая схема движения потоков в трехфазном электроаппарате Голубовского (ПЛАКАТ) с расположением объемных зон скопления газа, нефти и воды. На разрезе непрерывно действующего горизонтального трехфазника ясно видно расположение «газовой подушки» в нагревательной камере и отсутствие газа в зоне электрообработки нефти.
Подаваемая снизу исходная эмульсия, после распределения по миделеву сечению зоны 15 должна, всплывая, проходить промежуточный слой капель, накопившийся на линии раздела «нефть-вода». Движущей силой в этом
продвижении является лишь Архимедова сила, возникающая из-за разности удельных весов эмульсии и промежуточного слоя, которые очень близки по величине. Из-за такой организации движения потоков ниже уровня раздела «нефть-вода», находящегося внутри промежуточного слоя, также скапливается эмульсия, состоящая из капель нефти в воде (обратная эмульсия от поступающей из зоны 4). В таком случае поступающие снизу из распределительного коллектора 12 капли нефти должны «протиснуться» сначала к поверхности раздела нефть-вода, а затем через слой тесно расположенных капель воды в нефти. Если иметь ввиду, что слой отстоявшейся подслойной воды состоит на 100% из воды, то в промежуточном слое при концентрации капелек воды 60...70% на нефть достигается касание поверхностей капелек между собой, и поступление новых частиц будет увеличивать толщину слоя нераспавшейся эмульсии. Практически отмечено, что толщина такого слоя, наблюдаемого в каждом непрерывно действующем аппарате, составляет не менее 100...400 мм. Несколько менее мощные слои частиц располагаются ниже уровня раздела нефть-вода, но здесь располагаются капли нефти в воде, т.е. обратная эмульсия по сравнению с вышележащей.
Внутри промежуточного слоя, начиная с уровня, характеризующегося обводненностью около 25%, и, далее вниз, до уровня раздела нефть-вода (до 45...55%), капли скопившейся воды оказывают физическое давление друг на друга. (В.И.Логинов, "Обезвоживание и обессоливание нефтей." М. Химия. 1979. стр.34). Происходит трансформация сферических оболочек отдельных капель в некоторое подобие объемных многогранников, причем в слое расположенном выше линии раздела нефть-вода нефтяная фаза представляет собой пленочные структуры, аналогичные пленкам жидкости в слое пены, когда место газа занимает вода. При этом мелкие глобулы воды, которые содержатся в нефти, при прохождении промежуточного слоя не все разрушаются и не все сливаются с непрерывной водной фазой, и будут обязательно вынесены вверх потоком нефти,
а впоследствии могут отделиться от него только при успешном укрупнении в электрическом поле. Знакопеременное электрическое поле между потенциальным электродом и слоем отстоявшейся воды эффективно уменьшает высоту верхней части промежуточного слоя, разрушая его структуру своим силовым воздействием.
Фиг.6 изображает схему размещения зарядов в электроаппарате при подаче силового электропитания на потенциальный электрод. Описанный выше принцип работы электроаппарата проиллюстрирован картиной размещения наведенных зарядов на элементах корпуса 1 и 7, зарядов в слое отстоявшейся воды и в той части промежуточного слоя в аппарате, которая находится над уровнем раздела "нефть-вода" непосредственно под потенциальным электродом 13. В результате действия электрического поля высокого напряжения положительные и отрицательные заряды неполярных молекул смещаются противоположные стороны и центры расположения положительного и отрицательного зарядов перестают совпадать. Сегодня углеводородные композиции нефти и газового конденсата принято относить к веществам полупроводникового типа. В результате около источника, например, положительного потенциала в толще диэлектрика накапливаются преимущественно отрицательные заряды ориентированных диполей, а у отрицательно заряженной подслойной воды - положительные заряды. Внутри слоя диэлектрика положительные и отрицательные заряды диполей компенсируют друг друга, при этом электрическое поле продолжает существовать в его объеме.
Поляризация нефти и накопительная подзарядка капель воды в эмульсии приводит к проявлению заряженных слоев вещества вокруг потенциальных элементов электродной системы, показанных на фиг.6, электрическими знаками потенциала диполей "+" и "-". Здесь же отмечены знаки наведенных зарядов на внутренней поверхности корпуса 1 и внутренних элементах 7 и 37
14 электроаппарата и его заземленного электрода (отрицательные), на верхней поверхности слоя отстоявшейся воды (также отрицательные), а также знак заряда потенциального элемента электрода (положительный). «Газовая подушка» в электрической зоне 15 отсутствует.
Трехфазный электроаппарат Голубовского, обеспечивает повышение надежности оперативного воздействия на проведение электрообработки сырой нефти и газового конденсата в поле высокого напряжения и повышение глубины обезвоживания углеводородного сырья на промыслах. Одновременно электроаппарат позволяет решать целый комплекс технологических задач, возникающих при добыче нефти. Конструкция аппарата адаптирована к суровым условиям эксплуатации в северных районах европейской части России, Сибири и Дальнего востока.
Применение трехфазных электроаппаратов Голубовского по сравнению с известными установками типа «хитер-тритер» гарантирует высокую экономическую эффективность за счет значительно снижения себестоимости подготовки товарной нефти, и решает задачи, выдвинутые Санэпиднадзором РФ по очистке сбросных вод и бережливому отношению к природе.