ЦИКЛОННЫЙ СЕПАРАТОР
CYCLONE SEPARATOR

Настоящее изобретение в основном относится к сепараторам циклонного типа, предназначенным для разделения несмешиваемых компонентов текучей среды.
Такой сепаратор может применяться в различных отраслях промышленности, например в области нефтедобычи. При использовании сепаратора в области нефтедобычи его помещают, например, в нефтяную скважину. В него из разрабатываемого пласта поступает содержащая воду и нефть текучая среда, из которой выделяют нефть с низким содержанием воды. Отделенную от нефти воду опять нагнетают в пласт, который может отличаться от разрабатываемого пласта, не производя ее сепарации или обработки в установке на поверхности. В представленном варианте текучие среды разделяют в скважине и поднимают их на поверхность.
Сепаратор в соответствии с настоящим изобретением имеет широкую область применения, например, его можно использовать для очистки газов от пыли.
Циклонный режим прохождения потока в камере разделения компонентов текучей среды оказывается особенно эффективным для разделения компонентов по массе. На выходе из разделительной камеры циклонного типа наиболее тяжелые компоненты стекаются на периферию, а легкие компоненты остаются в центре. В идеальном циклонном потоке тангенциальная скорость частиц текучей среды возрастает по гиперболическому закону от периферии камеры к радиусу, где она достигает своего максимального значения, а затем снижается между этим радиусом и центром камеры по линейному закону. В частности, она является ничтожно малой в центре разделительной камеры. Это приводит к радиальному ускорению частиц текучей среды, обратно пропорциональному кубу радиуса в гиперболической зоне.
В документе FR 2592324 A описан сепаратор для неоднородной жидкости, содержащий приводимые во вращение цилиндрическую разделительную камеру и коаксиальный нагнетатель. Нагнетатель содержит сердечник, вокруг которого по направляющим каналам текучая среда поступает в камеру для создания в ней циклонного потока. Преимуществом таких вращающихся сепараторов является снижение трения, связанного с разностью скоростей между стенками камеры и нагнетаемой средой, нарушающих циклонный режим.
Обычно сложно обеспечить циклонный поток по всей длине камеры.
Задачей настоящего изобретения является создание циклонных сепараторов вращающегося типа с повышенной производительностью разделения за счет полного контроля циклонного режима.
Сепаратор циклонного типа согласно первому варианту осуществления изобретения содержит приводимые во вращение цилиндрическую разделительную камеру и коаксиальный нагнетатель. Нагнетатель содержит сердечник, вход для, по существу, осевого потока текучей среды, выход для нагнетания текучей среды в разделительную камеру и множество направляющих каналов, выполненных на периферии сердечника между входом и выходом нагнетателя. Сердечник содержит участок диаметром, по существу, равным или превышающим внутренний диаметр разделительной камеры. На этом участке направляющие каналы являются, по существу, прямолинейными и параллельными оси разделительной камеры, затем они продолжаются, оставаясь, по существу, прямолинейными, до выхода из нагнетателя. Выход нагнетателя имеет, по существу, цилиндрическую форму с диаметром, по существу, равным внутреннему диаметру разделительной камеры.
Благодаря этим отличительным признакам достигаются практически идеальные условия, при которых распределение тангенциальных скоростей текучей среды по радиусу соответствует теоретическому гиперболическому закону. В этом случае поток в разделительной камере находится в циклонном режиме или близком к нему. За счет этого улучшаются характеристики сепаратора.
В других вариантах выполнения сепаратора можно использовать тот или иной из следующих отличительных признаков:
Направляющие каналы имеют, по существу, спиральную форму со стороны входа нагнетателя для постепенного приведения во вращение текучей среды вместе с разделительной камерой и нагнетателем.
Указанный участок сердечника имеет диаметр, по существу, равный внутреннему диаметру разделительной камеры.
Направляющие каналы подразделяются, начиная от указанного участка сердечника, к выходу нагнетателя.
Направляющие каналы выполнены в количестве более десяти и обычно в количестве, равном по меньшей мере двадцати на уровне выхода нагнетателя.
Другим объектом настоящего изобретения является способ добычи пластовой нефти, содержащий следующие этапы, на которых:
- в нефтедобывающей скважине устанавливают по меньшей мере один сепаратор для разделения компонентов, содержащий цилиндрическую разделительную камеру и коаксиальный нагнетатель, при этом нагнетатель содержит сердечник, вход, противоположный разделительной камере, выход, направленный к разделительной камере, и множество направляющих каналов, выполненных между входом и выходом нагнетателя на периферии сердечника, при этом сердечник содержит участок с диаметром, по существу, равным или превышающим внутренний диаметр разделительной камеры, и на этом участке направляющие каналы являются, по существу, прямолинейными и параллельными оси разделительной камеры, при этом, по существу, прямолинейные направляющие каналы продолжены от указанного участка до выхода нагнетателя, а выход нагнетателя имеет, по существу, цилиндрическую форму с диаметром, по существу равным внутреннему диаметру разделительной камеры, причем разделительная камера содержит по меньшей мере первый и второй концентричные выходы, противоположные нагнетателю;
- приводят в осевое вращение разделительную камеру и нагнетатель;
- на вход нагнетателя подают, по существу, осевой поток текучей среды, содержащей нефть и воду;
- воду удаляют на уровне первого выхода разделительной камеры;
- выделяют нефть с низким содержанием остаточной воды на уровне второго выхода разделительной камеры, при этом второй выход находится ближе к оси разделительной камеры, чем первый выход.
Другие особенности и преимущества настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего описания одного из его вариантов выполнения, представленного в качестве неограничивающего примера со ссылками на чертежи.
На фиг.1 схематично показан сепаратор компонентов текучей среды, вид в продольном разрезе;
на фиг.2 показана в увеличенном масштабе выходная часть разделительной камеры сепаратора, изображенного на фиг.1;
на фиг.3 показан в увеличенном масштабе нагнетатель сепаратора в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4 - поперечный разрез по линии IV-IV на фиг.3;
на фиг.5 - поперечный разрез по линии V-V на фиг.3;
на фиг.6 показан нагнетатель сепаратора, вид сбоку;
на фиг.7 показан в увеличенном масштабе другой вариант выполнения нагнетателя сепаратора в соответствии с настоящим изобретением.
Как показано на фиг.1, сепаратор 1 содержит неподвижный наружный кожух 5 в основном цилиндрической формы с осью 6. В кожухе имеются вход Е для разделяемой текучей среды, первый и второй выходы S1 и S2 текучей среды соответственно. Во внутренней полости кожуха 5 соосно установлены цилиндрическая разделительная камера 3 и коаксиальный нагнетатель 2, выполненные с возможностью вращения вокруг оси 6.
Камера 3 и нагнетатель 2 входят в состав узла 11, установленного с возможностью вращения в наружном кожухе 5 на подшипниках 12. Местоположение и количество показанных на фиг.1 подшипников могут меняться. Уплотнения 13 для подвижных соединений обеспечивают герметичность между подвижным узлом 11 и неподвижным наружным кожухом 5. В показанном на фиг.1 варианте выполнения подвижный узел 11 приводится во вращение ремнем 14, связанным с двигателем 4.
Через вход Е в осевой патрубок 10 под давлением входит поток предназначенной для разделения текучей среды, такой как эмульсия вода-нефть.
В данном случае первый выход S1 выполнен в виде бокового патрубка 8 на наружном кожухе 5 сепаратора 1. Этот первый выход S1 позволяет удалять первый текучий компонент относительно высокой плотности, улавливаемый на выходе разделительной камеры 3, т.е. противоположно нагнетателю 2, на некотором расстоянии от оси 6. Второй выход S2 в данном случае выполнен в виде трубки 7 с осью 6, сообщающейся с внутренней полостью разделительной камеры 3. Этот второй выход S2 позволяет удалять второй текучий компонент более низкой плотности.
При применении в области нефтедобычи первым текучим компонентом является вода (в которой остаточное содержание нефти намного ниже, чем в эмульсии, поступающей на вход Е), а вторым текучим компонентом является нефть (в которой остаточное содержание воды намного ниже, чем в эмульсии, поступающей на вход Е).
После входа Е текучая среда (вода-нефть) поступает на вход подвижного узла 11 и далее во входную камеру 15. Затем она проходит через нагнетатель 2, который преобразует поступательное движение текучей среды во вращательное движение вокруг оси 6 со скоростью вращения, равной скорости вращения узла 11, и отбрасывается на периферию разделительной камеры 3 с тангенциальной скоростью, по существу, равной скорости стенки камеры 3.
При таком выполнении входа в разделительную камеру 3 тангенциальная скорость текучей среды в камере 3 меняется, по существу, обратно пропорционально радиусу, существенно возрастая по мере приближения к центру, то есть к оси 6. Это приводит к ускорениям, способствующим разделению текучих сред, и, в частности, к концентрации второго текучего компонента с плотностью, меньшей, чем плотность первого компонента, в области центра разделительной камеры 3 во время прохождения потока.
Первый относительно плотный текучий компонент (воду) удаляют из разделительной камеры 3 через первый кольцевой выход 31, образованный на выходе камеры 3, который сообщается с выходом S1 сепаратора через кольцевой канал 9. Эти элементы более детально показаны на фиг.2, где представлена в увеличенном масштабе правая часть фиг.1. При применении сепаратора в нефтедобывающей области удаленную таким образом воду, в которой остаточное содержание нефти может быть очень низким, опять нагнетают на уровень пласта, который может отличаться от пласта, из которого эмульсионная смесь поступает на вход Е сепаратора.
Второй текучий компонент относительно небольшой плотности (нефть) извлекают через второй выход разделительной камеры 3, который в этом примере выполнен в виде входного отверстия 32 центральной трубки 7. В данном случае трубка 7 жестко соединена с наружным кожухом 5 сепаратора и не вращается вместе с разделительной камерой 3, что упрощает конструкцию устройства (фиг.1 и 2).
В одном из вариантов выполнения оба выхода разделительной камеры 3 имеют кольцевую форму и концентричны оси камеры, например, как описано в документе FR 2771029. Возможны разные компоновки выходов разделительной камеры 3 циклонного типа. Как правило, выходы являются концентричными, и наиболее плотный текучий компонент (вода) удаляется на уровне выхода, наиболее удаленного от оси, тогда как наиболее легкий компонент (нефть) извлекается на уровне самого близкого к оси выхода. В некоторых случаях, кроме выходов для воды и нефти, предусматривают выход для газа (наименее плотная фаза, расположенная в самом центре).
Как показано на фиг.3, нагнетатель 2 сепаратора расположен между входной камерой 15 и разделительной камерой 3. Он содержит вход 25, сообщающийся с входной камерой 15, направляющие каналы 28 для текучей среды, выход 26, выходящий в разделительную камеру 3, и сердечник 27, по существу, коаксиальный оси 6 сепаратора. Сердечник 27 имеет, например, осесимметричную овальную форму в направлении входа нагнетателя для постепенной подачи текучих сред к периферии нагнетателя 2 и конусную форму в направлении разделительной камеры 3.
Как показано на фиг.4, направляющие каналы 28 ограничены лопатками 30, например радиальными, проходящими от сердечника 27 до стенки узла 11, образуя закрытые полости в плоскости фиг.4.
Как показано на фиг.5, в зоне выхода 26 лопатки 30, ограничивающие направляющие каналы 28, отходят от сердечника 27 и остаются соединенными со стенкой узла 11, образуя полости, открытые в сторону внутренней полости разделительной камеры 3 напротив конусной части сердечника 27.
В зоне выхода 26 внутренние концы радиальных лопаток 30 расположены вдоль продольных бортов 29, по существу, прямолинейных и параллельных оси 6 сепаратора. Как показано на фиг.3, эти борта 29 распределены на цилиндрической поверхности, находящейся на продолжении внутренней стороны 16 с внутренним диаметром D3 разделительной камеры 3. Именно эта цилиндрическая поверхность разделяет выход 26 нагнетателя 2 и вход разделительной камеры 3.
Таким образом, выход 26 нагнетателя 2 имеет, по существу, цилиндрическую форму с диаметром, равным внутреннему диаметру D3 разделительной камеры 3. Он ограничен отверстиями направляющих каналов 28 между бортами 29.
Между входом 25 и выходом 26 нагнетателя сердечник 27 содержит участок с диаметром D27, превышающим или равным внутреннему диаметру D3 разделительной камеры 3. Эти два диаметра D3 и D27 показаны на фиг.3 равными. На входе в разделительную камеру 3, то есть на выходе 26 нагнетателя поток текучей среды в основном имеет тангенциальную составляющую скорости. Его радиальная составляющая скорости может быть очень незначительной, если переход между наружным диаметром направляющих каналов 28 и диаметром D3 разделительной камеры является постепенным, как показано в данном примере. Благодаря конструкции выхода 26 нагнетателя 2 тангенциальная скорость текучей среды, нагнетаемой в камеру 3, является почти такой же, как и скорость стенки этой камеры, поэтому текучая среда заходит в разделительную камеру 3, не создавая трения или нежелательных завихрений.
На фиг.6 показана форма сердечника 27 и радиальных лопаток 30, ограничивающих направляющие каналы 28.
Показанный на фиг.6 нагнетатель 2 содержит направленные в сторону входа 25 направляющие каналы 28, имеющие, по существу, спиралевидную форму для постепенного приведения во вращение текучей среды вместе с узлом 11. После этого направляющие каналы 28 до выхода 26 нагнетателя 2 выполнены прямолинейными, по существу, параллельными оси 6.
Как показано на фиг.6, направляющие каналы 28 подразделяются на большее число каналов после входа 25 на участке диаметром D27, где эти каналы становятся прямолинейными и продольными.
Направляюще каналы 28 могут также подразделяться на большее число до выхода 26, чтобы еще лучше приводить во вращение текучую среду перед ее входом в разделительную камеру 3.
В показанном на фиг.6 варианте выполнения имеется пять каналов 28 на входе нагнетателя, десять направляющих каналов 28 на промежуточном участке и двадцать направляющих каналов после этого участка и до выхода 26 нагнетателя.
Предпочтительно иметь относительно большое число направляющих каналов 28 на выходе 26 нагнетателя 2, чтобы обеспечивать вход текучей среды в разделительную камеру 3 с наименьшими возмущениями. Таким образом, число направляющих каналов 28 преимущественно должно быть больше десяти. Предпочтительно это число равно или превышает двадцать.
На фиг.7 показан другой вариант выполнения нагнетателя 2, в котором диаметр D27 промежуточного участка сердечника 27 превышает диаметр D3 разделительной камеры.
Циклонный сепаратор в соответствии с настоящим изобретением можно применять для разделения любой текучей среды, содержащей несмешиваемые компоненты разной плотности, а не только для разделения эмульсии, состоящей из воды и нефти.
Выше описана текучая среда, содержащая только два текучих компонента. Разумеется, эта среда может содержать более двух компонентов разной плотности. В этом случае разделительная камера будет содержать более двух выходов, позволяющих извлекать разные текучие компоненты. Разделяемые компоненты в текучей среде могут быть не только жидкостями, такими как вода и нефть, они могут также включать газы и/или твердые частицы, находящиеся в текучей среде в виде суспензии.
В случае применения в области нефтедобычи водно-нефтяная эмульсия (которая может также содержать газ, растворенный в нефти или нагнетаемый с поверхности) поступает из промыслового пласта на вход Е сепаратора 1. Подвижный узел 11, содержащий нагнетатель 2 и разделительную камеру 3, приводится во вращение, например, от вала глубинного насоса скважины или от двигателя, находящегося вблизи сепаратора. Если сепаратор установлен в скважине, извлекаемую на выходе S2 нефть поднимают в поверхностную установку в устье скважины, тогда как воду, удаляемую на выходе S1, можно опять нагнетать на уровень пласта, который может отличаться от уровня промыслового пласта.
В альтернативном варианте можно производить разделение компонентов на дне скважины и поднимать их потом на поверхность. В другом альтернативном варианте можно поднимать эмульсию и осуществлять разделение на поверхности, например на морской нефтедобывающей платформе. Еще в одном альтернативном варианте текучую смесь перемещают до устья подводной скважины, а разделение осуществляют на морском дне.