СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ МАСЛОВОДНЫХ СМЕСЕЙ
METHOD AND DEVICE FOR SEPARATION OF OIL-WATER MIXES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для разделения маловодных смесей, в частности пространственного выделения воды из нефтеводной смеси.
Уровень техники
В процессе добычи нефти из подземных коллекторов на поверхность обычно выходит смесь нефти, воды, газа и песка (твердый материал). Является существенным разделить эти компоненты на отдельные составляющие. Разделение газовой и твердой фазы является относительно легким благодаря относительно большой разнице в удельных весах. Разделение двух жидких фаз более затруднительно, поскольку разница в удельных весах обычно относительно низка, в то время как все типы смесей могут включать в себя устойчивые дисперсии. В случае смесей (сырая) нефть/вода разницы в удельных весах часто довольно малы.
Разделение масла и воды традиционно ведут в аппаратах, где это разделение осуществляется по разнице в весе (см., например, US 2003/0168391). Такие разделительные аппараты являются большими, тяжелыми и нуждающимися в техническом обслуживании. Процесс разделения требует длительного времени пребывания масловодной смеси в аппарате. Следовательно, количество сырья в таких аппаратах относительно велико, что может создавать проблемы при пуске, остановке и при возможных повторных пусках таких установок.
Раскрытие изобретения
Существует потребность осуществлять разделение масла и воды в устройствах более компактных по сравнению с традиционным основанном на гравитации оборудованием и в более быстром режиме. Кроме того, существует также потребность осуществлять пространственное разделение, при котором основная часть масла или воды отделяется от смеси в компактном устройстве с последующей дополнительной стадией, на которой разделение на индивидуальные компоненты дополнительно улучшается.
Настоящее изобретение устраняет недостатки аппаратуры существующего уровня техники. Разделение проводится в линейно скомпонованных сепараторах. Эти сепараторы являются небольшими и легкими по сравнению с аппаратурой существующего уровня техники. Быстрое разделение достигается благодаря использованию больших центробежных сил. Оптимальное разделение получают, используя один или более дополнительных входов для разделяемой масловодной смеси и/или используя регулируемый вихреобразующий элемент. Более конкретно, в разделительное устройство аксиально (по оси) или тангенциально (по касательной) вводятся дополнительные нефтеводные смеси. Тот же улучшающий эффект может быть получен с помощью настройки вихреобразующего элемента. Могут быть использованы и то и другое средства. При этом оба средства будут улучшать рабочий диапазон сепаратора.
Настоящее изобретение, более конкретно, относится к способу разделения смеси на фазу, обогащенную маслом, и фазу, обогащенную водой, с использованием линейно скомпонованного разделительного устройства и при этом способ включает в себя: установку трубы для подачи масловодной смеси, установку удлиненного трубчатого разделительного устройства, включающего последовательно вход, вихреобразующую камеру, центральную разделительную камеру и выход, и установку выводной трубы для обогащенной маслом фазы и выводной трубы для фазы, обогащенной водой, причем вход разделительного устройства соединен по текучей среде с трубой для подачи масловодной смеси и вихреобразующей камерой, центральная разделительная камера соединена по текучей среде с вихреобразующей камерой и выходом сепаратора, выход дополнительно соединен по текучей среде с выводной трубой для обогащенной маслом фазы и выводной трубой для фазы, обогащенной водой, а вихреобразующая камера имеет вихреобразующий элемент, и, кроме того, способ также включает в себя подачу масловодной смеси по трубе для подачи нефтеводной смеси, ввод масловодной смеси из трубы для подачи масловодной смеси в вихреобразующую камеру, создание вращения масловодной смеси, которую подают в центральную разделительную камеру, разделение масла и воды в разделительной камере на фазу, обогащенную маслом, и фазу, обогащенную водой, и вывод обогащенной маслом фазы через выход для выпуска обогащенной маслом фазы, а фазы, обогащенной водой, через выход для выпуска обогащенной водой фазы, причем способ дополнительно включает в себя:
a) создание дополнительного тангенциального или аксиального входа в вихреобразующую камеру или центральную разделительную камеру и введение дополнительного количества масловодной смеси тангенциально или аксиально в вихреобразующую камеру или центральную разделительную камеру или
b) подстройку вихреобразующего элемента с целью регулирования вращения вихря
или сочетание а) и b).
Способ включает в себя соответствующую подстройку вихреобразующего элемента с целью регулирования вращения вихря при условии, что в этом процессе перед выходом разделительного устройства на периферии разделительного устройства не появляется никаких микропузырьков газа.
В способе изобретения разделение не является гравитационным, а основано на центробежных силах. Этот способ может быть применен для более или менее полного разделения, но преимущественно используется для пространственного отделения масла из масловодной фазы или, более предпочтительно, для отделения из масловодной смеси почти чистой водной фазы, например, с менее чем 5 вес.% масляной фазы в отделенной фазе. При использовании двухстадийного процесса можно получать водную фазу с менее чем 1 вес.% масла. Таким образом, большое количество одной из фаз отделяется от фазы, содержащей другой компонент, наряду с минорным количеством первой фазы. Главным образом, осуществляют удаление воды из масловодной смеси. При необходимости воду можно удалять в две или более стадий.
К сказанному выше следует добавить, что в способе согласно настоящему изобретению используются только трубопроводные компоненты. Внутренний диаметр трубчатого разделительного устройства имеет тот же порядок величины, что и труба для подачи масловодной смеси, т.е. составляет от 0,5 до 2,0 диаметров этой подающей трубы, будучи преимущественно по существу равной диаметру трубы для подачи масловодной смеси. Результатом этого является значительное уменьшение веса устройства при значительно меньшей загрузке. Таким образом, пространственные требования становятся намного менее жесткими при одновременной возможности использования более легкого фундамента. При этом могут использоваться не только одни трубопроводные компоненты: некоторые детали устройства могут быть изготовлены из конических деталей. В этом случае, в частности, внутренняя часть элемента может иметь коническую форму. Кроме того, меньшее по размерам устройство требует меньшего технического обслуживания и проверки, чем осадители на гравитационной основе. При этом стандарты технического обслуживания и проверки для осадительных емкостей более строги, чем для оборудования на базе трубопроводов. К тому же способ настоящего изобретения, в котором используются высокие перегрузки, приводит к быстрому по сравнению с гравитационными способами разделению.
Настоящее изобретение способно разделять почти все масловодные смеси. Для этого подходят смеси, содержащие от 10 до 99 вес.% воды (в расчете на всю смесь), предпочтительно от 40 до 98 вес.% воды и, более предпочтительно, от 60 до 97 вес.%. Кроме того, может присутствовать некоторое количество песка, например до 1 или даже до 2 вес.% (в расчете на всю смесь), хотя предпочтительно, чтобы перед разделением весь песок был удален. Какое-то количество частиц песка обычно в конечном итоге остается в водной фазе. Кроме того, масловодная смесь может дополнительно содержать некоторое количество газа, преимущественно количество газа до 10 об.% от общего объема, более предпочтительно до 5 об.% и, еще более предпочтительно, до 2 об.%. Газовая фракция обычно попадает в фазу, обогащенную маслом.
Как правило, масловодной смесью является смесь, добываемая из подземного коллектора. Процесс настоящего изобретения проводится, в частности, на участке скважины или поблизости от него, более конкретно на морском дне или на внебереговой платформе. Масловодная смесь может также представлять собой какой-либо поток нефтеперерабатывающего производства или продукт какой-либо реакции, например водно-масляную смесь, получаемую реакцией Фишера-Тропша.
Как правило, полученная фаза, обогащенная водой, содержит менее 20 вес.% масла, преимущественно менее 10 вес.% и, более предпочтительно, менее 1 вес.%. Как правило, фаза, обогащенная маслом, содержит не менее 50 вес.% масла, преимущественно не менее 80 вес.% и, более предпочтительно, не менее 90 вес.%. Предпочтительно, чтобы водный поток был как можно более прозрачным, устраняя тем самым необходимость дополнительных стадий разделения. Такой поток может затем быть подвергнут биологической обработке, предназначенной для сточных вод. При необходимости обогащенная маслом фаза может быть дополнительно обезвожена.
В способе изобретения дополнительная масловодная смесь может вводиться в вихреобразующую камеру или центральную разделительную камеру в более чем одном месте, либо на одинаковом расстоянии от входа трубчатого разделительного устройства либо/и на разных расстояниях от входа трубчатого разделительного устройства. Дополнительную масловодную смесь преимущественно вводят в центральную разделительную камеру. В предпочтительном варианте осуществления используется аксиальный вход через вихреобразующий элемент (см. также фиг.2). Такой вход не нарушает процесс разделения в центральной разделительной камере.
В случае аксиального входа вход преимущественно коаксиален с удлиненным трубчатым разделительным устройством. В этом случае возмущение протекающего процесса разделения минимально. В случае же тангенциального входа последний преимущественно близок к вихреобразующей камере. Предпочтительно, чтобы тангенциальный вход был перпендикулярен усредненному направлению потока в разделительном устройстве. Угол к направлению оси может доходить до 60°, предпочтительно до 30°. Такой угол определяется совместным протеканием двух потоков. В этом случае дополнительный поток вводится на одной линии с протекающим разделением и возмущение относительно невелико. Отмечено, что возможно использование несколько комбинаций дополнительных входов.
В способе настоящего изобретения предпочтительно использование дополнительного тангенциального или аксиального входа в вихреобразующую камеру для ввода дополнительного количества масловодной смеси в сочетании с фиксированным вихреобразующим устройством.
Количество вводимой дополнительной масловодной смеси может со временем меняться. Это будет зависеть от одной или более вводимых переменных, таких как отношение масло/вода, температура, давление, концентрация солей в водной фазе, размер капелек, эффективность разделения, скорость потока, режим разделения и т.д. Со временем может меняться также и количество масловодной смеси, вводимой через трубу для подачи масловодной смеси. В случае, когда из одного и того же источника выходят два (или более) потока, с течением времени может меняться разделение потока, а также его общее количество. Как правило, должен существовать центральный регулирующий блок, который в зависимости от вводимых переменных и результирующего разделения будет регулировать объемы масловодных смесей на нескольких входах разделительного устройства и количества масловодной и водно-масляной смесей, выводимых из блока. Этим путем также расширяется диапазон возможностей сепаратора.
Общее количество дополнительной масловодной смеси может варьировать в широком диапазоне и приемлемым образом в пределах от 10 до 1000 вес.% от первой масловодной смеси, преимущественно от 20 до 500 вес.% и, более предпочтительно, от 30 до 300 вес.%.
Желаемого разделения можно также достичь с помощью способа, в котором вихреобразующими элементами являются поворотные лопасти, регулирование с помощью которых возможно либо изнутри разделительного устройства, либо снаружи разделительного устройства, например, с применением электрических или механических приводов. Аналогичные регулировочные механизмы применяются в регулируемых статических смесителях.
Было отмечено, что лопасти создают вихрь Рэнкина с высокой тангенциальной скоростью вблизи сердцевины, в то время как тангенциальные входы создают высокую скорость на внешней стенке. Путем изменения скоростей потока можно индуцировать произвольные поля течения. Следует отметить, что для дисперсий типа масло-в-воде вихрь Рэнкина может быть благоприятным для разделения (высокая центробежная сила вблизи сердцевины), в то время как для дисперсий типа вода-в-масле более благоприятным может быть тангенциальный вход (высокая центробежная сила вблизи стенки трубы). Для получения оптимального разделения могут использоваться лопасти, имеющие определенную форму и способные настраиваться на индуцирование вихря Рэнкина, где с-фактор (или радиальное расположение максимальной тангенциальной скорости) оптимизирован в определенной области. Вихреобразующая камера может включать в себя центральное тело и вихреобразующий элемент, преимущественно расположенный между центральным телом и стенкой, причем центральное тело обладает обтекаемой формой, например пулеообразной формой. Может быть также использована комбинация лопастей и лопастей с центральным телом.
В настоящем изобретении разделительное устройство или детали разделительного устройства могут иметь клинообразную или коническую форму. Может оказаться предпочтительным, когда только внутренняя часть значимых элементов имеет действительно коническую форму, в то время как наружная часть имеет трубчатую форму.
Процесс разделения может проводиться в широком диапазоне условий и с успехом проводится в разделительной камере при температуре от -10 до 150°С, преимущественно от 0 до 120°С и, более предпочтительно, от 20 до 100°С и при давлении в трубе для подачи масловодной смеси от 0 до 500 бар, предпочтительно от 5 до 350 бар и, более предпочтительно, от 10 до 250 бар.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления масловодную смесь перед ее вводом в разделительное устройство смешивают или равномерно диспергируют. Процессом смешения преимущественно является низкоэнергетический процесс смешения, имеющий целью избежать образования эмульсий/дисперсий.
Как правило, количество получаемых при разделении обогащенной водой фазы и обогащенной маслом фазы регулируют путем создания разницы давлений между трубой для вывода обогащенной водой фазы и трубой для вывода фазы, обогащенной маслом, преимущественно с помощью способа, в котором разветвление потока соответствует отношению масло/вода, более предпочтительно в котором разветвление потока осуществляют путем регулирования отношения перепадов давлений, т.е. отношения перепада давления между входом и выводом обогащенной маслом фазы к перепаду давления между входом и выводом фазы, обогащенной водой. Разница давлений преимущественно составляет до 10 бар, предпочтительно до 5 бар и, более предпочтительно, до 2 бар. Приемлемый перепад давления по линейно скомпонованному сепаратору составляет от 1 до 25 бар и преимущественно от 2 до 5 бар.
В способе изобретения подходящая аксиальная скорость масловодной смеси на входе в центральный разделительный блок составляет от 0,1 до 10 м/с и преимущественно от 0,5 до 5 м/с, а тангенциальная скорость сразу же после вихреобразующего элемента составляет от 0,2 до 20 м/с и преимущественно от 1 до 10 м/с. Подходящее максимальное центробежное/центростремительное ускорение, выраженное в g, составляет на входе разделительной камеры не менее 2g, преимущественно не менее 20 g и, более предпочтительно, 100-500 g.
Подходящим трубчатым сепаратором является труба, имеющая внутренний диаметр на входе, величина которого составляет от 0,5 до 2 и преимущественно от 0,75 до 1,25 внутренних диаметров подающей масловодную смесь трубы и предпочтительно имеет одинаковую с ней величину. Как правило, подающая масловодную смесь труба, удлиненное трубчатое разделительное устройство и выводные трубы расположены коаксиально. В случае использования коленчатых труб (например, трубы, подающей масловодную смесь, на фиг.2) направление оси у соединения с другим звеном будет коаксиальным. В случае тангенциального входа последний также будет расположен коаксиально с другими элементами устройства. Подающая масловодную смесь труба, трубчатый сепаратор и трубы, выводящие масловодную смесь, могут быть соединены друг с другом с использованием всех известных в технике способов. Могут быть, например, использованы сварка или фланцевые соединения. Могут быть использованы также и резьбовые и болтовые соединения.
В другом варианте осуществления обогащенная маслом фаза и/или обогащенная водой фаза, преимущественно фаза, обогащенная водой, подвергается второму процессу разделения, аналогичному процессу, описанному выше. При этом полученную в процессе изобретения обогащенную маслом фазу подвергают сепарационной дообработке для удаления возможной остаточной водной фазы.
Чтобы довести разделение в способе изобретения до максимума, к масловодной смеси могут добавляться химические реагенты с целью улучшения слияния капелек масла. Такие реагенты в технике известны. Может быть использована статическая смесь, возможно в сочетании с впрыскиванием воды. Может быть также использовано нагревание.
Как правило, первая и дополнительная масловодная смесь имеют один и тот же источник, хотя могут быть использованы и разные источники.
Чтобы управлять соотношением потоков получаемых продуктов, способ изобретения должен, как правило, включать приборы для мониторинга в начале и в конце процесса. С их помощью можно доводить эффективность разделения в способе до максимума.
Изобретение, кроме того, относится к устройству для осуществления описанного выше способа. Иными словами, изобретение относится к устройству для разделения масловодной смеси на фазу, обогащенную маслом, и фазу, обогащенную водой, и при этом указанное устройство включает в себя трубу для подачи масловодной смеси, пригодную для ввода масловодной смеси в разделительное устройство, удлиненное трубчатое разделительное устройство, включающее последовательно вход, вихреобразующую камеру, центральную разделительную камеру и выход, выводную трубу для обогащенной маслом фазы и выводную трубу для фазы, обогащенной водой, причем вход разделительного устройства соединен по текучей среде с трубой для подачи масловодной смеси и вихреобразующей камерой, центральная разделительная камера соединена по текучей среде с вихреобразующей камерой и выходом сепаратора, выход дополнительно соединен по текучей среде с выводной трубой для обогащенной маслом фазы и выводной трубой для фазы, обогащенной водой, а вихреобразующая камера имеет вихреобразующий элемент, и, кроме того, устройство включает в себя один или более тангенциальных или аксиальных входов, преимущественно тангенциальных входов, в вихреобразующую камеру или центральную разделительную камеру, пригодную для ввода дополнительной масловодной смеси, и/или вихреобразующая камера имеет регулируемый вихреобразующий элемент. Устройство включает в себя вихреобразующую камеру с регулируемым вихреобразующим элементом, эффективную при условии, что устройство не имеет перед выходом разделительного устройства на его периферии средств для барботирования внутрь микропузырьков газа.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретение относится к устройству, в котором вихреобразующая камера включает в себя поворотные лопасти в направлении потока смеси с возможностью поворота лопастей либо изнутри, либо снаружи разделительного устройства, например, с помощью электрических или механических приводов. Более конкретно, вихреобразующая камера включает в себя центральное тело и вихреобразующий элемент, преимущественно расположенный между центральным телом и стенкой, причем центральное тело является преимущественно обтекаемым. Разделительное устройство имеет преимущественно клинообразную или коническую форму.
Устройство представляет собой подходящий трубчатый сепаратор, имеющий внутренний диаметр от 0,5 до 2,0 и преимущественно от 0,75 до 1,25 внутренних диаметров подающей масловодную смесь трубы и предпочтительно имеющий ту же самую величину диаметра.
С целью оптимизировать процесс разделения разделительное устройство преимущественно имеет на выводной трубе для обогащенной маслом фазы и выводной трубе для фазы, обогащенной водой, редукционные клапаны для регулирования количества текучей среды на выходах.
В частности, центральная разделительная камера может содержать в себе приемник вихря, причем этим приемником вихря преимущественно является труба для отвода обогащенной маслом фазы.
Обсуждаемое выше устройство преимущественно имеет водоотводную трубу, которая соединена по текучей среде с концом центральной разделительной камеры и/или с боковой стенкой центральной разделительной камеры.
Разделительное устройство может размещаться на морском дне или на внебереговой нефтедобывающей платформе.
В одном из специальных вариантов осуществления устройство устанавливается на салазках с приспособлением для подъема салазок и транспортирования салазок.
Устройство настоящего изобретения включает в себя подходящую трубу для подачи масловодной смеси, которая соединена по текучей среде с одной или более нефтедобывающих скважин и при этом устройство преимущественно содержит также отделитель песка между скважиной и сепаратором масловодной смеси.
Устройство преимущественно содержит, кроме того, смеситель или гомогенизатор для предварительной обработки масловодной смеси.
Наряду с этим устройство может содержать гравитационное разделительное устройство для дообработки масляной фазы с целью удаления возможной остаточной воды в соответствии с техническими требованиями.
Описанное выше устройство преимущественно используется для разделения масловодных смесей.
Процесс и устройство согласно настоящему изобретению преимущественно не содержат в себе барботажных средств для ввода перед выходом сепаратора и на периферии сепаратора микропузырьков газа в проходящую через сепаратор текучую смесь для усиления разделения несмешивающихся текучих компонентов с различной плотностью. Такое барботажное средство или какое-либо эквивалентное ему средство описаны, в частности, в WO 2007/074379, включенное в настоящую заявку в качестве ссылочного материала.
Краткое описание чертежей
Далее изобретение описывается более детально с помощью примера со ссылками на прилагаемые чертежи, из которых:
фиг.1-4 схематически показывают виды сбоку устройств для разделения смеси масла и воды. На фиг.5 показана вихреобразующая камера. На фиг.6 показано линейно скомпонованное разделительное устройство, включающее регулирующие блоки.
Осуществление изобретения
Как следует из фиг.1-4, показаны разделительные устройства 1, каждое из которых включает в себя трубу 2 для подачи масловодной смеси, удлиненное трубчатое разделительное устройство 3 и выводная секция 4. На всех фигурах удлиненное трубчатое разделительное устройство 3 имеет вход 5, сообщающийся по текучей среде с трубой 2 для подачи масловодной смеси, вихреобразующую камеру 6, центральную разделительную камеру 7 и выход 8, соединенный по текучей среде с выводной секцией. Выводная секция 4 имеет выход 9 для обогащенной водой фазы и выход 10 для обогащенной маслом фазы. На фиг.1 вихреобразующая камера 6 включает в себя регулируемый вихреобразующий элемент. На фиг.2 дополнительно показан аксиальный вход 11, который вводит дополнительный масловодный поток в общую разделительную камеру через вихреобразующую камеру 6. Труба для отвода обогащенной маслом фазы имеет прорези, через которые обогащенная водой фаза проходит в водоотводную трубу. На фиг.3 показан аксиальный вход 11, который вводит дополнительный масловодный поток в центральную разделительную камеру 7. На фиг.4а дополнительно показан тангенциальный вход 11, который вводит дополнительный масловодный поток в центральную разделительную камеру 7. На фиг.4b показан радиальный вид устройства, показанного на фиг.4а в точке ввода аксиального входа 11. На фиг.4b показан возможный угол между тангенциальным входом и аксиальным направлением. Труба для отвода обогащенной маслом фазы имеет прорези, через которые обогащенная маслом фаза поступает в отводную трубу. На фиг.5 показана вихреобразующая камера 6, включающая в себя центральное тело 12. На фиг.6 показана линейно скомпонованная разделительная установка 1, линия масло/водоснабжения 15, разделительный блок 16, разделяющий подаваемые масло и воду на три потока, центральный регулирующий блок 20 и регулирующие устройства (устройства, регулирующие массовый поток, или устройства для регулирования разностного давления) 21-25. Устройство 19 измеряет по крайней мере температуру, давление, размер капелек и отношение масло/вода входящего потока.