ТРУБНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ФАЗ

Трубный делитель фаз (ТДФ) относится к устройствам для подготовки продукции нефтяных скважин на промысле, в основном, для сброса «свободной» пластовой воды, и может применяться в нефтяной, газовой и других отраслях промышленности при разделении эмульсий несмешивающихся жидкостей.
Известно устройство для обезвоживания нефтей «Способ и устройство для обезвоживания углеводородов», ВОИС, МПК 6 В01D 17/04 №9807494 от 20.08.97 г. Оно содержит корпус в виде трубы со штуцером для подачи эмульсии, штуцером для вывода обезвоженных углеводородов и штуцерами для отвода водной фазы. Корпус разделен на секции для коалесцирующей насадки.
Известно также устройство по патенту РФ №2036686 МПК 6 В01D 17/02, публ. БИ №16, 95 г. «Устройство для разрушения водонефтяной эмульсии», включающее корпус в виде наружной трубы и встроенной в нее перфорированной трубы. Корпус содержит патрубки для ввода и вывода эмульсии. Устройство предназначено для подготовки эмульсии к разделению.
Известно «Устройство для выделения водной фазы из смеси воды с углеводородами», ВОИС МПК 6 B01D 17/02 от 09.02.95 г. №9503868.
Оно также содержит корпус в виде наружной трубы со смонтированной в ней внутренней трубой, которая оформляет кольцевое межтрубное пространство. Текучая среда через патрубок поступает в межтрубное пространство, в котором установлены ребра, обеспечивающие проход среды по спиральному пути. Отверстия на внутренней трубе позволяют среде поступать из межтрубного пространства во внутреннюю трубу. Устройство снабжено штуцерами ввода смеси и вывода отделившихся фаз.
Известен также отстойник по а.с. СССР №1105212 «Трубный отстойник» (МПК 6 В01D 17/04, БИ №28, 1984 г.). Он включает корпус в виде участка трубы со штуцерами ввода подготавливаемой эмульсии и вывода отделившихся фаз. Для повышения качества разделения эмульсии корпус отстойника снабжен системой вертикальных и горизонтальных перегородок и выполнен многосекционным (как минимум три секции). Это усложняет конструкцию и снижает ее надежность, но производительность повышает незначительно.
Вышеперечисленные разделители газожидкостных смесей обладают общими недостатками: они создавались по принципу усложнения конструкции, более трудоемки в изготовлении и при монтаже, требуют постоянного контроля при эксплуатации; каждый аппарат имеет жесткие граничные условия, удовлетворительно работает на каком-то одном типе нефтей (эмульсий), невозможна их эксплуатация на нефтях с высоким содержанием механических примесей, у всех аппаратов низкая удельная производительность одного кубического метра объема аппарата.
Известен делитель фаз по патенту РФ №2077364 «Сепарационная установка» МПК 6 В01D 19/00, публ. 04.02.97 г. Он представляет собой наклонную трубную колонну, к верхней части которой подсоединены трубопроводы для подвода газожидкостной смеси (ГЖС) и отвода газа. Посредине длины колонны к боковой стенке подсоединен трубопровод для отвода нефти, а трубопровод для отвода воды подсоединяется к нижнему концу наклонной колонны.
Установка отличается большими размерами, сложностью конструкции и ее вертикальной неустойчивостью, но она может быть собрана на самом месторождении из ассортимента имеющихся на нем труб. Ее создание говорит о том, что разработка конструкций устройств подготовки нефти на месторождениях идет по пути использования для них труб нефтяного сортамента.
Известен также трубный делитель фаз по патенту РФ №2098166 «Установка сброса воды» МПК 6 В01D 19/00, публ. 12.10.97 г. Делитель представляет собой трубу со штуцерами ввода разделяемой эмульсии и вывода отделившихся фаз. Для отбора выделяющегося газа над основной трубой расположена еще одна труба, соединенная с внутренним пространством основной трубы трубными перемычками для отвода из нее газа. Трубы установлены со значительным наклоном по отношению к горизонтальной плоскости. Штуцер ввода эмульсии в основную трубу расположен в верхней ее части (трети или четверти). Штуцер вывода воды расположен на нижнем конце наклонной трубы, а штуцер вывода нефти - на верхнем ее конце.
Основными недостатками решения являются: большие размеры и вес, сложность монтажа, неустойчивость конструкции, требующей усиленного фундамента из-за высокой «парусности» и нагрузки от установки сброса воды. Кроме того, она усложнена устройством для отделения газа, хотя дальнейший транспорт отделившихся нефти и газа производится совместно по одной трубе. Необходимо отметить пульсирующую нагрузку на верхнюю часть делителя при поступлении в нее эмульсии (на многих промыслах поток эмульсии носит пульсирующий характер). Это также не способствует повышению надежности устройства и качества отделившихся фаз.
Известен также «Трубный делитель фаз» по патенту РФ на полезную модель №19771, МПК 6 B01D 17/04, публ. 10.10.2001 г.
Трубный делитель фаз содержит корпус с штуцерами ввода эмульсии и вывода выделившихся фаз. Корпус делителя выполнен из труб в виде установленной вертикально рамы с трубной горизонтальной перемычкой, соединяющей внутреннее пространство вертикальных участков корпуса. Штуцер ввода эмульсии в делитель расположен в середине горизонтальной перемычки, а штуцера вывода отделившихся легкой и тяжелой фаз расположены в серединах верхнего и нижнего горизонтальных трубных участков корпуса делителя фаз соответственно.
Недостатком данного устройства является его слабая защищенность от негативного воздействия газовых пузырей, содержащихся в промысловой газожидкостной смеси (сырой нефти), особенно крупных. Эти пузыри, попадая в рабочий объем трубной установки сброса воды, вызывают в местах соединения трубных элементов турбулизацию потока смеси, разрушают создавшийся режим течения потока и препятствуют его разделению на фазы. Результатом в конечном случае является значительное ухудшение качества как легкой, так и тяжелой отделившихся фаз. Кроме того, турбулизация приводит к замешиванию в жидкие фазы механических примесей.
За прототип принята полезная модель «Трубная установка сброса воды» по патенту РФ №0075647, МПК 6 C02F 1/40 (2006.01), B01D 17/00, опубл. 2008.20.08.
Трубная установка сброса воды ТУСВ, включающая трубный рамный корпус, выполненный в виде установленной вертикально рамы из труб, с двумя горизонтальными трубными перемычками, расположенными одна над другой, трубопровод ввода жидкой части смеси в трубный рамный корпус снабжен устройством для ввода деэмульгатора и подсоединен к середине нижней перемычки, причем с противоположной стороны он подсоединен к средней части вертикальной трубной камеры ВТК, на верхнем торце которой установлен газопровод, соединенный с серединой верхней горизонтальной частью вертикальной трубной рамы, а ввод промысловой газожидкостной смеси в ВТК выполнен тангенциально, вывод легкой фазы из устройства через штуцер, соединенный с серединой верхней горизонтальной перемычки, а вывод тяжелой фазы - через штуцер, соединенный с серединой нижней горизонтальной частью трубной рамы.
Недостатком данного устройства является периодическое нарушение режима отвода в газовую часть ТУСВ всего объема крупных газовых пузырей, поступающих неравномерно в составе ГЖС в месте подсоединения концевого участка промыслового трубопровода к ВТК. При этом некоторое количество свободного газа в виде достаточно объемных пузырей опускаются вниз ВТК и поступают в трубопровод перепуска жидкой фазы из ВТК в ТДФ. Следствием является возникновение гидравлических ударов и интенсивной турбулизации смеси нефти и воды, нарушение режима ее разделения на легкую и тяжелую фазы и на ухудшение их качества: увеличивается содержание воды в предварительно обезвоженной нефти и содержание нефти в отделившейся сточной воде.
Задачей, стоящей перед авторами, является создание конструкции ТДФ максимально устраняющей отмеченные недостатки в прототипе: улучшения качества сбрасываемой сточной воды и стабилизации нормативного остаточного содержания воды в предварительно обезвоженной нефти, устранения воздействия крупных газовых пузырей, содержащихся в промысловой ГЖС, ранее приводящих к беспрерывной множественной пульсации потока, поступающего в ТДФ из ВТК.
Для ее решения ТДФ отличается от прототипа тем, что к концевому участку промыслового трубопровода перед его соединением с ВТК сверху, в вертикальной плоскости по осям труб, подсоединяется наклоненный трубопровод, соединенный другим концом с трубопроводом перепуска газа из ВТК в рамный корпус ТДФ, а внутренние пространства концевого участка промыслового трубопровода и наклоненного трубопровода соединены вертикальными перемычками.
Вводимые конструктивные дополнения позволят уже на подходе к ВТК выделить максимум свободного газа, который частями по наклоненному трубопроводу и по концевому участку промыслового трубопровода будет отводиться от жидкой фазы, а по вертикальным перемычкам будет происходить по мере необходимости переток газа вверх, либо возврат жидкой фазы вниз. Устойчивый отвод основного объема свободного газа через наклоненный трубопровод в газовую часть ТДФ устранит недостатки, отмеченные в прототипе.
Такая конструкция ТДФ для сброса основной части свободной попутной воды позволяет эксплуатировать устройство в автономном режиме и не требует частого вмешательства в процесс для обслуживания установки.
Трубный делитель фаз (ТДФ) газожидкостной смеси (ГЖС) состоит из основного рамного корпуса, выполненного из труб с вертикальными 1 и 2, верхним 3 и нижним 4 горизонтальными участками. Внутреннее пространство вертикальных 1 и 2 участков рамного корпуса соединены двумя трубными перемычками - нижней 5 и верхней 6. К середине нижней 5 перемычки подсоединен трубопровод 7 для перетока из ВТК ГЖС без газовых пузырей на разделение в трубный рамный корпус устройства, а к середине верхней перемычки 6 - трубопровод 8 вывода из ТДФ предварительно обезвоженной нефти и газа. Трубопровод 9, подсоединенный к середине нижнего 4 участка трубного корпуса рамы предназначен для вывода из ТДФ отделившейся воды. К нижней горизонтальной трубной перемычке 5 трубопроводом 7 подсоединена ВТК 10, к корпусу которой тангенциально подсоединен концевой участок промыслового трубопровода 11 ввода в нее промысловой ГЖС, а к верхней части ВТК - трубопровод 12 перепуска газа в середину верхнего горизонтального 3 участка вертикальной рамы из труб. На трубопроводе 7, соединяющем ВТК 10 с нижней горизонтальной перемычкой 5 вертикальной рамы из труб, установлено устройство 13 для ввода в него деэмульгатора.
Дополнительно к концевому участку промыслового трубопровода 11 перед его соединением с ВТК сверху, в вертикальной плоскости по осям труб, подсоединен наклоненный трубопровод 14, соединенный с трубопроводом 12 перепуска газа из ВТК 10 в рамный корпус ТДФ. Внутренние пространства концевого участка промыслового трубопровода 11 и наклоненного трубопровода 14, соединены вертикальными трубными перемычками 15.
Трубный делитель фаз ГЖС работает следующим образом. Промысловая газожидкостная смесь, содержащая нефть, эмульсию, свободную попутную воду и попутный нефтяной газ, как растворенный, так и в виде «пузырей», либо в виде самостоятельного слоя, транспортируются по концевому участку промыслового трубопровода 11, к которому перед его соединением с ВТК 10, подсоединен наклоненный трубопровод 14. В этой точке основной объем газа, который движется вдоль верхней образующей трубопровода 11, входит в наклоненный трубопровод 14, а по основной трубе 11 движется ГЖС, в которой достигается минимальное неравномерное периодическое увеличение содержания газа. Следует отметить, что вертикальные перемычки 15 установлены для саморегулируемого процесса дополнительного перепуска средних газовых пузырей вверх из трубы 11 в трубу 14, а после этого возможно отекание жидкой составляющей смеси, захватываемой интенсивным газовым потоком и отделяющейся от него под действием разности плотностей, из трубы 14 в трубу 11.
ГЖС с минимально неравномерным содержанием газа тангенциально вводится по трубопроводу 11 в ВТК 10, внутри которой вращается, при этом газовые пузыри выделяются в отдельную фазу, занимают центр колонны и поднимаются в верхнюю часть ВТК, откуда газ выводится в трубопровод 12, а жидкая составляющая вращается по внутренней стенке ВТК и после отделения газовых пузырей концентрируется в нижней части ВТК 10 и по трубопроводу 7, соединяющему ВТК 10 с серединой нижней горизонтальной перемычки 5, перепускается внутрь вертикальной рамы из труб. В нижней горизонтальной перемычке 5 жидкая газонасыщенная смесь без газовых пузырей делится на два равноценных потока, при этом одна часть смеси движется к вертикальной трубе 1, а вторая - к вертикальной трубе 2. В точках подсоединения нижней горизонтальной перемычки 5 к вертикальным трубам 1 и 2 происходит гравитационное разделение жидкой составляющей на легкую и тяжелую фазы. Образовавшиеся части легкой фазы: предварительно обезвоженная нефть, остатки эмульсии и «свободной» воды в газонасыщенном состоянии, но без газовых пузырей движутся вверх до точек соединения вертикальных труб 1 и 2 с верхней трубной горизонтальной перемычкой 6, вводятся в нее и движутся к ее центру. Одновременно с этим, газ из верхней части ВТК 10 поступает по трубопроводу 12 в середину верхнего трубного горизонтального участка 3 корпуса рамы, где делится на равные доли, при этом одна доля движется к вертикальной трубе 1, а вторая - к вертикальной трубе 2, по которым каждая опускается до мест присоединения участков труб 1 и 2 с верхней горизонтальной трубной перемычкой 6, входит в нее и смешивается с соответствующей частью легкой жидкой фазы. Полученные смеси движутся к центру и объединяются. Таким образом, в верхней горизонтальной трубной перемычке 6 рамного корпуса образуется новая ГЖС, в которой отсутствует периодическое поступление разрозненных газовых пузырей и соблюдается во времени технологически равное соотношение смешиваемых легкой фазы и газа. Такая ГЖС через патрубок 8 выводится из середины верхней горизонтальной перемычки 6 и транспортируется двуслойным потоком под давлением процесса сброса воды в ТДФ к месту следующей ступени (стадии) промысловой подготовки нефти.
Третья составляющая промысловой ГЖС - соленая пластовая вода - отделилась от легкой фазы в точках соединения нижней горизонтальной перемычки 5 с вертикальными трубами 1 и 2, по которым равными частями опускается в нижний горизонтальный трубный участок 4 корпуса рамы, из середины которого выводится из ТДФ по трубопроводу 9.
Таким образом, в вертикальных трубах 1 и 2 корпуса рамы происходят важные технологические операции, включающие различные по направлению и по составу движущихся составляющих, полученных при разделении промысловой ГЖС, перемещения. В верхней части вертикальных труб 1 и 2 на участке до их сочленения с верхней горизонтальной перемычкой 6 сверху вниз движется газ, который вводится в эту перемычку. Одновременно, на среднем участке от верхней горизонтальной перемычки 6 до места их соединения с нижней горизонтальной перемычкой 5 снизу вверх движется легкая жидкая фаза и вводится в верхнюю горизонтальную перемычку 6 вместе с газом. В нижнем участке вертикальных труб 1 и 2 от места их соединения с нижней горизонтальной перемычкой 5 до места их соединения с нижней горизонтальной образующей 4 корпуса рамы происходит движение сверху вниз тяжелой жидкой фазы (воды), которая выводится из ТДФ из середины трубы 4 по патрубку 9.
Предлагаемое устройство эксплуатируется в автономном автоматическом режиме и не требует постоянного обслуживания, достаточно ежесменного визуального осмотра и перерегулирования автоматики после изменения производительности куста скважин, что обуславливается остановкой или вводом в эксплуатацию отдельных добывающих скважин.
3
Как показали испытания предлагаемой конструкции, двухрамный элемент, изготовленный из труб диаметром 8-10 дюймов, рекомендуется для производительности по ГЖС от 500 до 1000 м/сутки. Для подготовки большего количества ГЖС компонуют установку из нескольких двухрамных элементов. Таким образом, изменяя диаметры труб и количество двухрамных элементов, можно компоновать ТДФ на кустах скважин, на любой объем ГЖС.
3
Испытания расчетным методом устройства, изготовленного из труб диаметром 8 дюймов, показали, что суточная удельная производительность 1 м его объема почти в два раза превышает показатели прототипа. Указанное достигается за счет минимизации неравномерности периодического увеличения содержания газа в жидкой фазе, которая движется по трубе 11 и тангенциально вводится в ВТК 10.