УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДЕГАЗАЦИИ НЕФТЕВОДОГАЗОВОЙ СМЕСИ В СЕПАРАТОРЕ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ (ВАРИАНТЫ)
FACILITY FOR DEGASSING OIL-WATER-GAS MIXTURE IN SEPARATOR OF FIRST STAGE (VERSIONS)

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к дегазации нефтеводогазовой смеси в сепараторе первой ступени.
Известны устройства для дегазации нефтеводогазовой смеси путем стабилизации нефти, т.е. отбор наиболее летучих углеводородов [Каспарьянц К.С. Промысловая подготовка нефти. - М.: Недра, 1966. - С.122-130].
Недостаток данного способа заключается в больших потерях нефти в узлах замера (трапно-замерные установки), на которых обычно устанавливаются негерметичные мерники (при самотечной системе сбора нефти), кроме того, испарение легких фракций провоцирует потери углеводородов и более тяжелых бензиновых фракций.
Наиболее близким устройством к технической сущности снижения потерь легких и тяжелых углеводородных фракций можно отнести известное явление коагуляции (процесс сближения и укрупнения взвешенных в газе или жидкости мелких твердых частиц, жидких капелек и газовых пузырьков под действием акустических колебаний звуковых и ультразвуковых частот) газовых пузырьков в жидкости, если это явление применить к дегазации нефтеводогазовой смеси на входе сепаратора первой ступени [Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П.Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - С.161-162].
Недостаток данного способа (в случае применения современных методов возбуждения ультразвука в трубах) заключается в сложности использования ультразвуковых колебаний, например при использовании магнитострикционного метода (или других методов) - необходима электроэнергия, кабель и генератор ультразвуковых частот.
Задачей изобретения является обеспечение эффективной защиты нефтеводогазовой смеси от потерь легких углеводородов в технологической схеме промыслового сбора, в частности в сепараторе первой ступени.
Технический результат по первому варианту (п.1.) Ф.И. достигается тем, что устройство для дегазации нефтеводогазовой смеси в сепараторе первой ступени, оборудованном входным трубопроводом, содержит патрубок, соединенный с входным трубопроводом, внутри которого расположен параллельно потоку нефтеводогазовой смеси, по меньшей мере, один или набор четвертьволновых резонаторов.
Технический результат по второму варианту (п.2.) Ф.И. достигается тем, что устройство для дегазации нефтеводогазовой смеси в сепараторе первой ступени, оборудованном входным трубопроводом, содержит патрубок, внутри которого расположен диск с отверстиями, при этом указанный патрубок соединен с входным трубопроводом, а в отверстиях диска расположен параллельно потоку нефтеводогазовой смеси набор четвертьволновых резонаторов, установленных параллельно друг другу без смещения или со смещением относительно друг друга.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе дегазации нефти в сепараторе первой ступени используют ультразвуковое поле стоячих волн, трансформируемое из низкочастотных колебаний акустическими четвертьволновыми резонаторами (например, Музипов Х.Н., Савиных Ю.А. Новая технология повышения производительности добывающих скважин с помощью ультразвука. - Нефтяное хозяйство, №12, 2004. С.53-54/.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».
Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что коалесценция газовых пузырьков в жидкости известна [Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П.Голямина. - М.: Советская энциклопедия, 1979. - С.161-162]. Однако неизвестно, что ультразвук можно создать с помощью четвертьволновых резонаторов.
Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».
Основные положения физической сущности для осуществления устройства.
1. Поток жидкости по трубопроводу при любых скоростях сопровождается возникновением вихрей, приводящих к появлению технологического звука. Особенно сильный технологический звук возникает при преодолении потоком препятствий (заслонок, решеток, поворотов и т.д.) [Справочник по технической акустике. / Под ред. М.Хекла и Х.А.Мюллера. - Л.: Судостроение, 1980. - С.208-210].
2. Преобразование низкочастотного технологического звука в ультразвук.
3. Преобразование низкочастотного технологического звука осуществляется акустическими четвертьволновыми резонаторами, например четвертьволновыми резонаторами. [Музипов Х.Н., Савиных Ю.А. Новая технология повышения производительности добывающих скважин с помощью ультразвука. - Нефтяное хозяйство, №12, 2004. - С.53-54/, которые размещаются во входном патрубке нефтеводогазовой смеси.
4. Формирование ультразвуковых стоячих волн в пространстве между акустическими четвертьволновыми резонаторами.
5. Использование явления физического процесса коалесценции [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.489-491] газовых пузырьков в ультразвуковом поле стоячих волн для дегазации легких фракций углеводородных компонентов нефти.
Покажем возможность использования коалесценции газовых пузырьков в стоячей звуковой волне.
1. Волны и колебательная скорость.
Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.23-25]
Частным решением уравнения (1) явлется
где а - смещение частицы среды относительно положения покоя; А - амплитуда смещения; t - время.
Выражение (2) описывает плоскую гармоническую волну частоты f=ω/2π, распространяющуюся в положительном направлении оси х, ω - угловая частота.
Дифференцируя (2) по t, получаем для скорости частицы среды - так называемой колебательной скорости
Следовательно амплитуда колебательной скорости
Величина U определяет ту максимальную скорость, с которой частицы движутся в процессе колебаний.
Согласно выражению (4) скорость частицы колеблется между этой величиной и нулем.
2. Интерференция волн. Стоячие волны.
Явления, связанные с одновременным существованием в некоторой точке среды нескольких колебаний, называют интерференцией.
Явления интерференции играют важную роль в излучении звука.
Особенно важную роль играет интерференция при распространении двух одинаковых волн в противоположных направлениях. Колебания, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлениях по оси x, можно записать в виде
Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение
из которого непосредственно вытекает, что в точках Cos(2πx/λ) обращается в нуль, смещение а тождественно равно нулю; это имеет место при x, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых Cos(2πx/λ) по абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.
Выражение для колебательной скорости в стоячей волне найдем, дифференцируя выражение
Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.
3. Давление в стоячей волне.
Обратимся теперь к вопросу о распределении давления в стоячей волне. В волне, распространяющейся в направлении сил оси х, давление р пропорционально изменению смещения вдоль х, т.е. величине da/dx. Дифференцируя выражение (7) по х, получим
Таким образом, в стоячей волне и звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду в исходных бегущих волнах.
4. Акустическая коагуляция.
Уже давно было известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [König W., Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d. Phys. (3), 42, 353, 549 (1891)] в связи с работами Бьеркнесса [Bjerknes С.A. Remarques historiques sir la theori du mouvement d'unou de plusieurs corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur les forces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s'y rattachent, Compt. Rent., 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867)]. На этом явлении основано отчасти возникновение пылевых фигур в трубках Кундта.
Брандт и Фройнд [Brandt., Über das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall- und Ultraschallfrequenzen, Kolloid/ Zs., 76, 272 (1936)] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.
Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля.
На основании этих опытов Брандт и Гидеман [Brandt О., Hiedenmann Е., Über das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936)] различают две стадии коагуляции. В начале частицы принимают участие в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом они в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться, а затем выпадают в осадок.
5. Коагуляция газовых пузырьков в стоячей волне.
Ж
Пусть в жидкости с динамической вязкостью η, колеблющейся с амплитудой U и частотой f, находится газовый пузырек с радиусом R и плотностью ρ.
Согласно закону Стокса [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. ИЛ. - М.: ИЛ, 1957. - С.489-491] сила трения, действующая на частицу,
где Δυ - разность скоростей газового пузырька и жидкости.
Согласно формуле (10) скорость частиц жидкости
Движение газового пузырька описывается дифференциальным уравнением
или
Общее решение этого уравнения имеет вид [3]
Непериодический член отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает уже никакого влияния.
Таким образом, амплитуда колебания газового пузырька равна
Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением
ГП
Ж
Отношение амплитуд Х/U будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.
2
Таким образом, для степени участия частицы механической примеси в колебаниях жидкости определяющей является величина Rf.
ГП
Ж
Если принять значение Х/U=0,8 за границу, до которой газовые пузырьки еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения
получим
Величина Z определяет степень участия газовых пузырьков в колебаниях жидкости.
Таким образом, соотношение (18) позволяет рассчитать частоты, необходимые для создания стоячих волн с целью коалесценции газовых пузырьков.
Согласно приведенным выше положениям физической сущности достигается акустическая коалесценция газовых пузырьков.
На фиг.1 изображена схема патрубка, внутри которого размещен диск с отверстиями, со встроенным четвертьволновым резонатором (например, с одним) - соосно патрубку.
На фиг.2 изображена схема патрубка, внутри которого размещен диск с отверстиями и четвертьволновыми резонаторами (например, с тремя), которые расположены в отверстиях около внутренней поверхности параллельно друг другу без смещения.
На фиг.3 изображена схема патрубка, внутри которого размещен диск с отверстиями и четвертьволновыми резонаторами (например, с тремя), которые расположены в отверстиях около внутренней поверхности параллельно друг другу со смещением.
На фиг.4 изображена схема патрубка, внутри которого размещен диск с отверстиями и четвертьволновыми резонаторами (например, с тремя), которые расположены в отверстиях на расчетном расстоянии от оси патрубка, параллельно друг другу без смещения.
На фиг.5 изображена схема патрубка, внутри которого размещен диск с отверстиями и четвертьволновыми резонаторами (например, с тремя), которые расположены в отверстиях на расчетном расстоянии от оси патрубка, параллельно друг другу со смещением.
На фиг.6 изображен диск с отверстиями, в которые встраиваются четвертьволновые резонаторы.
На фиг.7 изображена технологическая схема дегазации нефтеводогазовой смеси.
На фиг.8 изображена схема процесса коалесценции газовых пузырьков в стоячих ультразвуковых волнах.
На фиг.1 изображено: 1 - патрубок, 2 - диск с отверстиями для размещения в них соосно (по центру) патрубку четвертьволновых резонаторов, 3 - один или набор четвертьволновых резонаторов, настроенных на разные расчетные резонансные частоты.
На фиг.2 изображено: 1 - патрубок, 2 - диск с отверстиями для размещения в них по окружности (около внутренней поверхности) патрубка параллельно друг другу без смещения одного или набора четвертьволновых резонаторов, 3 - один или набор четвертьволновых резонаторов, настроенных на разные расчетные резонансные частоты.
На фиг.3 изображено: 1 - патрубок, 2 - диск с отверстиями для размещения в них по окружности (около внутренней поверхности) патрубка параллельно друг другу со смещением одного или набора четвертьволновых резонаторов, 3 - один или набор четвертьволновых резонаторов, настроенных на разные расчетные резонансные частоты).
На фиг.4 изображено: 1 - патрубок, 2 - диск с отверстиями для размещения в них по окружности (на расчетном расстоянии от оси патрубка) параллельно друг другу без смещения одного или набора четвертьволновых резонаторов 3.
На фиг.5 изображено: 1 - патрубок, 2 - диск с отверстиями для размещения в них по окружности (на расчетном расстоянии от оси патрубка) параллельно друг другу со смещением один или набор четвертьволновых резонаторов 3.
На фиг.6 изображено: 2 - диск с отверстиями, 4 - отверстия для размещения в них по окружности (на расчетном расстоянии от оси патрубка) параллельно друг другу набора четвертьволновых резонаторов 3, 5 - отверстия для размещения в них по окружности (на расчетном расстоянии от оси патрубка) параллельно друг другу со смещением и без смещения набора четвертьволновых резонаторов, 6 - отверстие для размещения в нем соосно патрубку (по центру) одного или набора четверьволновых резонаторов 3.
На фиг.7 изображено: 1 - патрубок, 2 - диск с отверстиями (показан вариант размещения соосно (по центру) патрубку преобразователей технологического звука в ультразвук - набор четвертьволновых резонаторов 3 на разные расчетные резонансные частоты), 7 - трубопровод для подачи нефтеводогазовой смеси в сепаратор, 8 - штуцер, 9 - сепаратор.
На фиг.8 изображено: 1 - патрубок, 2 - диск с отверстиями (показан вариант размещения соосно (по центру) патрубку одного или набора четвертьволновых резонаторов 3), 9 - сепаратор, 10 - узел волны давления в стоячей ультразвуковой волне, 11 - пучность волны давления в стоячей ультразвуковой волне, 12 - узел волны колебательной скорости в стоячей ультразвуковой волне, 13 - пучность волны колебательной скорости в стоячей ультразвуковой волне, 14 - входящий поток нефтеводогазовой смеси из трубопровода в патрубок, 15 - коалесценция газовых пузырьков в пучности волны колебательной скорости стоячей ультразвуковой волны, 16 - газ в сепараторе, выделившийся из потока нефтеводогазовой смеси после процесса коалесценции в ультразвуковой стоячей волне, 17 - движение нефтеводяной смеси в сепаратор после процесса коалесценции газа в стоячей ультразвуковой волне, сформированной преобразователями технологического звука в ультразвук.
Сборку устройства для дегазации нефтеводогазовой смеси осуществляют в следующей последовательности. Осуществляют по любому варианту (например, по фиг.1) размещение одного или набора четвертьволновых резонаторов 3 в диске с отверстиями 2. Размещают собранную конструкцию диска с отверстиями 2 с преобразователями технологического звука - четвертьволновым резонатором 3 в патрубке 1.
Далее (например, посредством фланцев) встраивают собранное устройство между трубопроводом 7 (фиг.7) и штуцером 8.
Устройство работает следующим образом.
Поток нефтеводогазовой смеси 14 поступает из трубопровода 7 в патрубок 1. Внутренняя поверхность трубопровода 7 (фиг.7) и патрубка 1 всегда имеет шероховатость. Поэтому при движении потока 14 нефтеводогазовой смеси за счет пограничного слоя (не показан) вдоль стенки трубопровода 7 и патрубка 8 возникает турбулентность (не показано). А всякая турбулентность генерирует технологический звук [Кузов К. Мир без форм. Пер. с болг. Ю.М.Медведева. Под ред. и предисл. В.М.Шашина. - М., Мир, 1976. - С.96-107].
Технологический звук, распространяясь вдоль патрубка 1 (фиг.8), преобразуется четвертьволновым резонатором 3 в ультразвук. Среди частот ультразвука всегда найдется половина длины волны, которая уложится в пространстве между четвертьволновым резонатором 3 и внутренней стенкой патрубка 1, т.е. сформируется стоячая волна. Согласно классической теории стоячая звуковая волна характеризуется двумя параметрами - волной давления, состоящей из узла 10 и пучности 11, и волной колебательной скорости, состоящей из узла 12 и пучности 13 (фиг.8). Поэтому газовые пузырьки в потоке 14 нефтеводогазовой смеси, попадая в область стоячих волн, подвергаются следующим процессам. Газовые пузырьки под действием волны давления из пучности 11 перемещаются к узлу 10 и попадают в пучность 13 волны колебательной скорости, где и происходит их коалесценция 15.
Газовые пузырьки укрупняются и при вытекании нефтеводогазовой смеси из патрубка 1 в сепаратор 9 выделяются в виде газа 16 (фиг.8) и поступают в газовую линию (не показано), а нефтеводяная смесь 17 сливается на дно сепаратора 9.
Таким образом, обеспечивается эффективная защита нефтеводогазовой смеси от потерь легких углеводородов в технологической схеме промыслового сбора, в частности в сепараторе первой ступени.