Трубный электрокоалесцирующий аппарат
ELECTRIC COALESCING PIPE APPARATUS

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, может использоваться для процессов подготовки нефти на предприятиях нефтяной отрасли.
В процессе добычи нефти на дневную поверхность обычно выходит скважинный флюид, представляющий смесь нефти, воды, газа и твердых взвешенных частиц. Благодаря относительно большой разницы в удельных весах отделение газовой и твердой фаз от жидкой фазы не вызывает серьезных технологических и конструкционных затруднений. Особую сложность в технологии подготовки нефти представляют процессы разделения водонефтяной эмульсии на две жидкие фазы (нефть/вода), и доведения остаточного содержания массовой доли пластовой воды в нефти до категорийных норм стандарта качества. К промысловым аппаратам подготовки нефти, кроме сепараторов, отстойников и теплообменников, относятся электродегидраторы, предназначенные для разрушения эмульсий. Сущность промысловой электрообработки эмульсии заключается в том, что в обводненной нефти, помещенной в электрическое поле переменного тока, происходит непрерывное движение капель воды, в результате разрушаются оболочки этих капель, происходит их укрупнение и отделение от нефти. Традиционные электродегидраторы представляют собой сосуды-отстойники большой емкости, с размещенными в них пластинами потенциальных высоковольтных электродов. В современных условиях существует потребность в осуществлении разделения водонефтяной эмульсии в устройствах более компактных, по сравнению с традиционными, и в более быстром режиме в потоке текучей среды.
Известен наклонный трубный электродегидратор (SU573169 А1, МПК B01D 17/06, C10G 33/02, опубл.25.09.1977), содержащий корпус с подводящей трубой из диэлектрика, в которой размещен цилиндрический электрод. В корпусе концентрично установлен трубчатый высокопотенциальный электрод, на наружной поверхности которого в шахматном порядке размещены штыри с высотой, увеличивающейся к патрубку выхода нефти. Водонефтяная эмульсия, поступающая в подводящую трубу, проходит в однородном электрическом поле переменного тока, которое возникает между концентрично расположенными электродами. По мере продвижения потока к патрубку выхода нефти, расположенного в верхней части наклонного корпуса, под действием неоднородного электрического поля переменного тока, напряженность которого повышается, происходит разделение эмульсии.
Известен электрокоалесцирующий аппарат для обработки эмульсии типа вода в масле (SU1233902 A1, МПК B01D 17/06, C10G 33/02, опубл.30.05.1986) содержащий заземленный корпус с входным и выходным штуцерами и расположенный по его оси электрод, выполненный с продольными ребрами, что способствует более высокой неоднородности электрического поля. С целью повышения эффективности процесса коалесценции капель воды на начальном участке обработки эмульсии в зоне повышенной напряженности электрического поля установлен коаксиально корпусу патрубок, расширяющийся по ходу движения эмульсии. Предложенное конструктивное решение позволяет создать поток жидкости с более равномерным полем скоростей по поперечному сечению патрубка. Недостатками этого устройства являются не контролируемый процесс коалесценции капель воды в линейном электрическом поле центрального электрода и образование цепочек коагулированных капель, что приводит к локальным пробоям и короткому замыканию.
Известен аппарат для разрушения нефтяной эмульсии (SU1105213 A1, МПК B01D 17/06, опубл. 30.07.1984) включающий вертикальный цилиндрический корпус с патрубками ввода и вывода эмульсии, являющийся внешним заземленным электродом, и центральный коаксиальный электрод, выполненный в виде чередующихся секций из металла и гидрофобного диэлектрика. Центральный электрод снабжен конденсаторами, соединяющими каждую последующую металлическую секцию с каждой предыдущей секцией, крайняя нижняя металлическая секция центрального электрода выполнена в виде перфорированного диска изолированного от корпуса. В нижней части корпуса в районе патрубка вывода эмульсии установлен горизонтально перфорированный дисковый электрод. В цепи каждой последующей (сверху вниз) секции центрального электрода на один конденсатор больше, чем в цепи предыдущей. Разделение центрального электрода на ряд секций приводит к образованию отдельных достаточно малых областей концентрации постепенно уменьшающейся напряженности электрического поля, в каждой из которых процессы коалесценции происходят независимо друг от друга, размеры капель воды в эмульсии. К недостаткам этого аппарата следует отнести, влияющей на надежность, сложность конструкции секционного центрального коаксиального электрода с подключением каждой секции к конденсатору определенной емкости, а также линейно направленное поле, влияющее на эффективность дегидрации.
Известен электродегидратор (SU1586741 A1, МПК B01D 17/06, опубл.23.08.1990), включающий диэлектрический корпус с распределительной головкой для подачи эмульсии и патрубками для вывода нефти и воды, электроды расположенные по окружности корпуса, частотно-регулируемый источник трехфазного напряжения, вход которого соединен с выходом измерителя электропроводности. Выход частотно-регулируемого источника трехфазного напряжения подключен через высоковольтный трансформатор к электродам, причем подключение выполнено таким образом, что прикладываемое переменное напряжение, сдвинутое по фазе на 120°, образуется вращающееся электрическое поле, повышающее эффективность процесса деэмульсации. Снабжение электродегидратора частотно-регулируемым источником трехфазного напряжения, вход которого соединен с измерителем электропроводности эмульсии, а выход - с высоковольтным трансформатором позволяет регулировать напряженность электрического поля и предупредить, возникновение короткого замыкания между электродами за счет изменения скорости вращения вектора напряженности. Недостатком данного электродегидратора является выполнение корпуса из диэлектрических материалов и ненадежность системы управления высоковольтным источником напряжения в зависимости от задатчика электропроводности эмульсии, в котором сравнивающий элемент должен выдавать сигнал на частотно-регулируемый источник трехфазного напряжения для изменения частоты напряжения и скорости вращения вектора напряженности.
Известно устройство для внутритрубной деэмульсации нефти (SU1530202 A1, МПК B01D 17/06 опубл.23.12.1989), включает участок трубопровода, пьезокерамические элементы, сетчатые электроды, установленные между пьезокерамическими элементами и электрически связанные с их металлизированными электродами, цилиндрическую диэлектрическую прокладку и вибратор, акустически связанный с пьезокерамическими элементами. Водонефтяная эмульсия, попадая в межэлектродное пространство, образованное сетчатыми электродами, подвергается многократному воздействию переменного электрического поля, создаваемого пьезокерамическими элементами под воздействием на них механических колебаний. Механические колебания возникают вследствие работы механического вибратора, акустически связанного с пьезокерамическими элементами. При работе вибратора возникает также акустическое поле, совместное воздействие электрического и акустического полей интенсифицирует коалесценцию капель воды. Под действием механических напряжений на металлизированных поверхностях (электродах), пьезокерамических элементах возникают противоположные электрические заряды, создающие напряжение 5- 20 кВ на сетчатых электродах, вызывающee интенсивную коалесценцию капель водонефтяной эмульсии. Предлагаемое устройство позволяет отказаться от повышающего трансформатора, подводящих проводов и проходных изоляторов, что уменьшает материалоемкость устройства и потери электроэнергии. Однако, широкому применению данного устройства препятствуют следующие недостатки:
- сложная система компоновки пьезокерамических элементов на соприкасающихся с сетчатыми электродами и другими металлизированными электродами, чтобы при механических воздействиях возникали одноименные заряды;
- низкая надежность цилиндрической прокладки, выполненной из диэлектрического пластинчатого материала и находящейся под постоянным воздействием упругих волновых колебаний;
- не управляемое акустическое воздействие вызывает эффект кавитации, что приводит к обратному явлению коалесценции
- диспергированию капель воды;
- в устройстве применены дорогостоящие пьезокерамические элементы;
- собранная из разнородных элементов конструкция требует постоянного технического обслуживание, т.к. устойчивый режим работы волнового генератора осуществляется только при «жесткости» всех соединений.
Известен аппарат для разрушения нефтяных эмульсий (SU1105214 A, МПК B01D 17/06 опубл.30.07.1984), включающий цилиндрический корпус с патрубками ввода и вывода эмульсии и вертикальные коаксиальные электроды, внешний из которых выполнен в виде колец с прокладками из диэлектрика, соединенных с конденсаторами, при этом конденсатор верхнего кольца заземлен, отличающийся тем, что, с целью интенсификации процесса и повышения экономичности и надежности аппарата, кольца внешнего электрода выполнены с высотой, увеличивающейся к патрубку вывода эмульсии, при этом аппарат снабжен дополнительными конденсаторами, соединяющими свободные выводы конденсаторов соседних колец. Неразрушенная эмульсия поступает через патрубок вверху аппарата, где обрабатывается в электрическом поле между центральным и внешним электродами и выводится через нижний патрубок. Для создания переменной напряженности поля к наружному кольцевому электроду подключены конденсаторы, по мере движения сверху вниз эмульсия последовательно попадает в области электрического поля с постепенно убывающей напряженностью. Этому устройству присущи следующие основные недостатки: - для осуществления питания большого количества потенциальных электродов внутри аппарата необходимо обеспечить герметичность их подключения через стенку с наружными высоковольтными устройствами, что усложняет конструкцию и снижает ее надежность; - электрическое поле в аппарате пространственно-ориентировано вдоль одной линиив вертикальном направлении, движение коагулированных капель воды в прямолинейном потоке ограничивает интенсивность электрокоалесценции.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электростатический коагулятор с резонансной схемой слежения (патент RU2567251 С2, МПК B03C 3/68 опубл.10.11.2015). Электростатический коагулятор включает в себя внешнюю стенку, определяющую путь потока текучей среды. Множество электродных пластин расположено в пределах пути потока. Контроллер включает в себя индуктор и генератор сигналов. Индуктор параллельно соединен с множеством электродных пластин. Индуктор и множество электродных пластин определяют резонансную схему. Генератор сигналов соединен с множеством электродных пластин и выполнен с возможностью приложения сигнала переменного тока к множеству электродных пластин на частоте, соответствующей резонансной частоте резонансной схемы при наличии технологической текучей среды. Изобретение, в целом, имеет отношение к разделению текучих сред в технологическом потоке и, более конкретно, к электростатическому коагулятору с резонансной схемой слежения. Электростатическое поле, сгенерированное посредством электродных пластин, поляризует капли жидкости в технологическом потоке. К основным недостаткам изобретения следует отнести:
- низкую надежность конструкции из-за набора множества параллельных электродных пластин покрытых изолирующим материалом в разделительной камере;
- резонанс не обеспечивает стабилизации напряжения на электродах, что приводит к рискам усиления диспергирования воды и выхода за предельные значения электрической прочности элементов системы;
- отсутствие физического обоснования равенства частоты резонанса с оптимальной частотой электрокоалесценции, так как на резонанс в значительной степени влияют и геометрия электродов, и диэлектрические свойства эмульсии;
- сложная система управления резонансной схемой генератора сигналов в обеспечении контроля по предотвращению образования сплошных цепочек (ручейков) коагулируемой воды между множеством пластин, что приводит к локальным пробоям.
Целью предлагаемого изобретения, как технического решения, является создание устройства обеспечивающего процесс эффективного обезвоживания нефти в линейно скомпонованном малогабаритном трубном электрокоалесцирующем аппарате.
Поставленная задача достигается заявляемым трубным электрокоалесцирующим аппаратом, содержащим камеру с патрубками входа эмульсии и патрубком выхода разделенных фаз эмульсии и электроды, при этом один электрод является центральным, остальные - расположены симметрично относительно друг друга. Дополнительно с торцов камера снабжена фторопластовыми проходными изоляторами, к которым крепятся электроды, а с внешней стороны камеры к фторопластовым изоляторам посредством соединительных кабелей, подключаются высоковольтные источники питания.
Симметричные электроды внутри камеры располагаются верееобразно относительно центрального электрода.
Предлагаемое устройство представляет линейно скомпонованный трубный электрокоалесцирующий аппарат, в камере которого, на поток текучей среды создается воздействие убывающей напряженности вращающегося электрического поля. В трубном электрокоалесцирующем аппарате, реализована модель многоэлектродной системы: центральный электрод, обеспечивающий создание однонаправленного электрического поля, и три электрода с радиальным веерообразным расположением вдоль оси камеры для образования пространственно-неравномерного поля с убывающей напряженностью по направлению движения потока эмульсии. Для осуществления питания электродов применены два высоковольтных источника: однофазный трансформатор для запитки центрального электрода, трехфазный трансформатор для создания вращающего электрического поля. Изобретение позволяет осуществить процесс эффективного разделения водонефтяной эмульсии в трубном электрокоагулирующем аппарате. В заявляемом электрокоалесцирующемтрубном аппарате, реализована модель многоэлектродной системы с вариантом размещения электродов по пяти-потенциальной схеме:
- для создания однонаправленного электрического поля применен центральный электрод, размещенный вдоль продольной оси внутри камеры, обеспечивающего необходимую напряженность для интенсификации процесса коалесценции;
- для создания вращающегося электрического поля применены три электрода расположенные вдоль оси камеры в виде расходящегося веера, крепящиеся под углом к центральному электроду и соответственно к корпусу, образно представляя конус.
Сущность изобретения поясняется Фиг. 1, Фиг. 2, Фиг. 3.
На Фиг.1 схематически показан разрез камеры трубного электрокоалесцирующего аппарата, где:1 - камера; 2 - патрубок входа эмульсии; 3 - патрубок выхода разделенных фаз эмульсии;4 - центральный электрод (F); 5 - симметричные электроды (ABC); 6 - фторопластовые проходные изоляторы.
На Фиг. 2 показана электрическая схема устройства, где 1 - камера; 4 - центральный электрод (F); 5 - симметричные электроды (ABC); 7 - однофазный трансформатор (ТР1); 8 - трехфазный трансформатор (ТР2).
На Фиг. 3 схематически показано веерообразное размещение симметричных электродов.
Трубный электрокоалесцирующий аппарат содержит камеру 1 в виде отрезка трубы, имеющей заглушки с обоих торцов. В заглушках камеры вмонтированы фторопластовые изоляторы 6, обеспечивающие крепление к ним электродов 4(F) и 5 (ABC) внутри камеры, с внешней стороны камеры 1 к фторопластовым изоляторам 6, посредством соединительных кабелей, подключены высоковольтные источники питания: однофазный трансформатор 7 (ТР1) подключен к центральному электроду 4 (F), каждая обмотка трехфазного трансформатора 8 (ТР2) подключена к одному из трех симметричных электродов 5 (ABC). Трансформаторы снабжены отводами в первичных и вторичных обмотках для обеспечения возможности дискретного изменения их выходного напряжения, обеспечивая подстройку режимов электрических полей под физико-химические свойства эмульсий с целью получения максимального эффекта разделения.
Электроды 4 (F) и 5 (ABC) размещены вдоль продольной оси внутри камеры, причем три симметричных электрода 5 (ABC) расположены в виде расходящегося веера, крепящиеся под углом к центральному электроду и соответственно к корпусу, образно представляя «конус», в центре вдоль оси этого «конуса» расположен центральный электрод 4 (F). Для подключения устройства к промысловой трубопроводной системе и обеспечения циркуляции жидкости через камеру на ее обечайке, с противоположных сторон в районе торцов, смонтированы патрубки: патрубок 2 для входа эмульсии, патрубок 3 для выхода разделенных фаз эмульсии.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Водонефтяная эмульсия через входной патрубок 2 поступает в начало камеры 1, где сосредоточена «вершина» всех четырех электродов, в этой зоне создается электрическое поле высокой напряженности. Попадая в зону мощного электрического поля, мелкие капли воды начинают сближаться, соударяясь объединяются в более крупные капли, образуя диполи. По мере продвижения эмульсии вдоль камеры, расстояние между симметричными электродами (АВС) увеличивается («веер раздвигается»), напряженность поля постепенно ослабевает, предотвращая разрушение (диспергирование) образовавшихся больших капель, при этом вращающееся поле препятствует образованию сплошных ручейков из цепочек больших капель, приводящих к локальным пробоям между электродами. Достигая конца камеры, поток смеси с крупными каплями воды выходит через патрубок 3 в трубопроводную систему для дальнейшей обработки.
В заявляемом устройстве для повышения эффективности разрушения эмульсии (уменьшение степени ее дисперсности) интенсифицируется процесс коалесценции капель воды в нефти, воздействием на эмульсию электрическим полем с интенсивно изменяющимся во времени направлением вектора напряженности поля (условно «вращающееся» электрическое поле). На поток текучей среды создается воздействие убывающей напряженности электрического поля по длине камеры. Вращающееся электрическое поле приводит во вращательное движение диполи капель воды в ограниченном трубном пространстве, при этом увеличивается число соударений капель в единицу времени и, одновременно, существенно снижается вероятность образования сплошных цепочек проводимости от электрода к электроду, приводящих к локальным пробоям, что позволяет повысить рабочие напряжения на электродах и тем самым интенсифицировать процесс коалесценции. Раздвигаемая 3-х электродная система, в направлении продвижения потока внутри камеры, снижает напряженность до уровня ниже критического для капель наибольшего размера, предотвращая разрушение образовавшихся больших капель. Вращающееся электрическое поле приводит к увеличению соударений капель, повышению температуры их приповерхностного слоя и слиянию в более крупные; вытягивание капель и их вращение, обеспечивает снижение частоты локальных пробоев (и рисков образования устойчивого пробоя) в сравнении с однонаправленным полем.
В заявляемом устройстве целью чередования режимов образования цепочек проводимости на основе преобладания малых капель за счет высокой напряженности применен вариант «качающего» напряжения с импульсной модуляцией вращающегося поля
Для осуществления питания камеры заявляемого трубного электрокоалесцирующего аппарата применены, по меньшей мере, два высоковольтных источника питания:
- однофазный трансформатор постоянного/переменного (переключением) напряжения 100 кВ мощностью 8 кВт;
- трехфазный трансформатор переменного напряжения 10 кВ мощностью 13 кВт.
Для реализации адаптивного режима управления процессом электрокоалесценции потока текучей среды разработана управляющая программа, позволяющая обеспечить контроль количества и размера капель воды по следующим косвенным показателям:
- пробивное напряжение эмульсии;
- диэлектрическая проницаемость эмульсии;
- интенсивность кратковременных пробоев;
- резонансные частоты электродной системы;
- ширина полосы и положение частотного спектра резонанса электродной системы;
- оптическая плотность эмульсии в видимой области оптического диапазона и
инфракрасной области.
Заявляемое устройство позволит осуществлять процесс электродегидролиза нефтяной эмульсии в составе мобильных блочных установок подготовки нефти на месторождениях в технологиях ранней добычи и других модульных малогабаритных комплексах.