УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕПАРАЦИИ ГАЗА ОТ ЖИДКОЙ И ТВЕРДОЙ ФАЗ
INSTALLATION FOR SEPARATING GAS FROM LIQUID AND SOLID PHASES

Изобретение относится к нефтегазодобывающей промышленности и предназначено для использования при разработке нефтяных месторождений путем газового или водогазового воздействия на нефтенасыщенный пласт с высоким пластовым давлением при использовании природного газа высокого давления без дополнительного компримирования под давлением пласта, из которого используется газ для этой цели.
Нецелесообразно использование природного газа высокого давления для этой цели, содержащего конденсат, без отбора из него жидкой фазы, ввиду потери уже добытого конденсата в пласте, на который направлено воздействие.
Известны конструкции сепараторов нефти и газа разных типов [1-3]: вертикальных, горизонтальных, наклонных, использующих гравитационные силы, центробежные силы, комбинированных [4-6] и ряда других, но все они предназначены для получения качественного процесса разделения жидкости, газа и механических примесей с целью обеспечения дальнего транспорта нефти и газа без осложнений, вызываемых пробками жидкости при транспорте газа и пробками газа при транспорте нефти.
Недостатком известных сепараторов является то, что они эксплуатируются при относительно низких рабочих давлениях (до 10 МПа).
Авторами предлагается устройство для сепарации газа высокого давления (свыше 40 МПа и до 100-120 МПа).
Возможно изготовление существующих (известных) сепараторов газа на указанное выше давление, но это повлечет за собой резкое увеличение металлоемкости сепаратора, его массы и стоимости.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству для сепарации газа от жидкой и твердой фаз является газовый сепаратор, состоящий из цилиндрического корпуса, который сверху закрыт плоской или винтовой крышкой, в центре которой установлена выходная труба, а на нижней части цилиндрического корпуса присоединена широким основанием конусная часть циклона, узкое основание которой с отверстием для слива жидкости соединяется с герметичной емкостью для сбора жидкости, к верхней части цилиндрического корпуса по касательной присоединен входной патрубок круглого, прямоугольного или треугольного сечения [7] (Корчажкин М.Т. Циклонный сепаратор для очистки газа от жидкой фазы. Разработка газовых месторождений, транспорт и экономика природных газов. - Труды ВНИИ природных газов. Вып.2(10)).
Газ, подведенный тангенциально к цилиндрической части циклона, из-за неравенства нулю момента количества движения приобретает вращательное движение вокруг выхлопной трубы и осевое движение к вершине конуса, образуя, таким образом, нисходящий вихрь.
Исследователи [7] отмечают, что движение газа в циклоне носит весьма сложный характер и изучено недостаточно полно. Теория работы циклона еще очень несовершенна и не позволяет проводить расчеты циклонов.
Тем не менее, те же исследователи [7] экспериментально показали, что эффективность отделения жидкости от газа зависит от скорости ввода газа в циклон, максимум который приходится на 6-10 м/сек, а затем резко падает. При более низких скоростях эффективность значительно ниже, что объясняется с нашей точки зрения наличием обратного конуса в нижней части циклона. Нисходящий вихрь, достигая конической поверхности, подхватывает частицы отделившейся в цилиндрической части циклона жидкости, стекающие по поверхности обратного конуса вниз и возвращает их в поток газа, уходящий из циклона.
Этот недостаток устраняют устройством камеры разрыва в циклоне выше вводного патрубка [7], а отсепарированную жидкость отбирают из камеры разрыва. При этом не ясна функция обратного конуса в циклоне.
Для устранения этого недостатка авторами предложено выполнять устройство цилиндрическим, вводный патрубок газа прямоугольного сечения направить по касательной к внутренней образующей цилиндрического корпуса циклона под углом 10-15 град вниз от горизонтали, тем самым, обеспечив направление нисходящего вихря в устройстве и движение отделившейся жидкости по цилиндрической части корпуса вниз, а нижний конец выхлопной трубы, отводящей газ из устройства, оборудовать каплеуловителем, заполненным кольцами Рашига.
Чтобы качество сепарации не зависело от изменения скорости входного потока газа при изменении поступающего или потребляемого его количества, прямоугольное сечение входного патрубка снабжается подпружиненной пластиной, регулирующей площадь прямоугольного сечения в зависимости от количества проходящего через устройство газа, тем самым поддерживая постоянство скорости входящего потока газа.
Недостатками прототипа является то, что известное устройство не может работать при высоких давлениях 40-120 МПа либо требует больших расходов металла на его изготовление.
Задачей настоящего изобретения является создание устройства, работающего при высоких давлениях, и снижение металлоемкости и стоимости устройства.
Сущность настоящего изобретения заключается в том, что известное устройство для сепарации газа от жидкой и твердой фаз, состоящее из цилиндрического корпуса, полусферических крышки и днища, входного патрубка газожидкостной смеси прямоугольного сечения, смонтированного по касательной к внутренней цилиндрической поверхности корпуса, выходного патрубка газа, нижний конец которого опущен ниже патрубка ввода газожидкостной смеси примерно до середины цилиндрической части корпуса, патрубка сброса жидкой фазы, расположенного внизу боковой поверхности цилиндрической части корпуса и патрубка сброса твердой фазы, расположенного в полусферическом днище, согласно изобретению цилиндрический корпус, полусферические крышка и днище выполнены трехслойными, причем наружный и внутренний слои выполнены из металла, например стали, а промежуточный слой выполнен из отверждаемого раствора (смеси, суспензии), например раствора портландцемента, полимерцемента или отверждаемых смол (эпоксидной, фурановой и других), закачиваемого в пространство между металлическими слоями через технологический патрубок, расположенный в наружном слое днища до выхода излишков раствора через технологический патрубок, расположенный в наружном слое крышки устройства, которые после отверждения раствора отглушаются, вводный патрубок газожидкостной смеси, смонтированный по касательной к внутренней цилиндрической поверхности, имеет наклон под углом 10-15 градусов к горизонтали вниз, а прямоугольное сечение патрубка снабжено подпружиненной пластиной с возможностью перемещения вокруг вертикальной оси с перекрытием площади сечения патрубка, нижний конец выходного патрубка газа оснащен каплеуловителем, заполненным кольцами Рашига.
При этом верхний конец выходного патрубка газа оснащен дополнительным патрубком с вмонтированными в него отборными устройствами для измерения динамического напора с калиброванным размером в сечении отбора импульса динамического напора.
Кроме того, патрубок для слива жидкой фазы оснащен регулируемым либо нерегулируемым дроссельным устройством (штуцером), смонтированным в отдельном патрубке с фланцем, вставленным в патрубок для слива жидкости и крепящимся между фланцами патрубка для слива жидкости и трубопровода жидкой фазы.
Для устранения недостатков прототипа авторами предложено корпус устройства и днище изготавливать трехслойными: наружный и внутренний слой металлические, а промежуток заполнять отверждаемым раствором (смесью, суспензией), например раствором портландцемента, полимерцемента или отверждаемыми смолами (эпоксидной, фурановой и др.).
Многослойные аппараты известны в нефтепереработке [8], однако там каждый слой является металлическим и набор слоев корпуса проводится с натягом, чтобы обеспечить плотное прилегание слоев друг другу. Такая многослойная конструкция аппарата, хотя и повышает несколько прочность корпуса, но не исключает высокой металлоемкости.
На фиг.1 представлено предлагаемое устройство для сепарации газа от жидкой и твердой фаз. На фиг.2 представлено сечение по А-А.
Устройство для сепарации газа от жидкой и твердой фаз состоит: из внутреннего 5 и наружного 6 металлических корпусов; внутреннего 3 и наружного 4 полусферических днищ; внутренней 14 и наружной 15 полусферических крышек; все пространство между указанными металлическими частями заполняется отверждаемым раствором 7 (смесью, суспензией), например раствором портландцемента, полимерцемента, или отверждаемыми смолами (эпоксидной, фурановой и другими), для чего наружная полусферическая крышка 15 и наружное полусферическое днище 4 снабжены технологическими 13 и 2 патрубками для закачки и выхода излишков раствора, которые после закачки раствора отглушаются; вводного патрубка газожидкостной смеси 16 прямоугольного проходного сечения, врезанного в устройство по касательной к образующей внутренней поверхности внутреннего корпуса 5 и под углом 10-15 градусов к горизонтали с направлением потока газожидкостной смеси по винтовой линии вниз, в котором установлена подпружиненная пластина 20 для регулирования скорости входного потока смеси с возможностью перемещения вокруг вертикальной оси и перекрытия проходного сечения патрубка 16; патрубка 12 для вывода отсепарированного газа из устройства, нижний конец которого опущен до середины длины корпуса устройства и оснащен каплеуловителем 8, заполненным кольцами Рашига, а верхний конец которого оснащен патрубком 11 с вмонтированными в него отборными устройствами 9 и 10 для измерения динамического напора выходящего из устройства газа; в нижней части трехслойного корпуса смонтирован патрубок 17 для сброса отсепарированной жидкости из устройства, оснащенный регулируемым посредством поплавка 19 штуцером 18 или нерегулируемым штуцером, размещенным в отдельном патрубке 21, вставляемом внутрь патрубка 17 и зажимаемым между фланцами патрубка 17 и трубопровода для отвода жидкости из устройства; трехслойное днище в самой нижней точке снабжено патрубком 1 для сброса твердой фазы.
Устройство работает следующим образом.
Газожидкостный поток направляется по входному патрубку 16 прямоугольного сечения, площадь которого регулируется подпружиненной пластиной 20 в зависимости от количества поступающей смеси по касательной к образующей внутренней цилиндрической поверхности устройства и под углом 10-15 градусов к горизонтали вниз, образуя нисходящий вихрь, центробежные силы которого отбрасывают более тяжелые частицы капельной жидкости и мехпримесей на стенку устройства, а гравитациионные силы перемещают и накапливают их в донной части устройства. Газ попадает из ограниченного размерами сечения входного патрубка в пространство устройства, резко теряет скорость, что также способствует отделению частиц жидкой и твердой фаз, и устремляется в выходной патрубок 12, оснащенный в нижней части каплеуловителем 8, заполненным кольцами Рашига, на которых остаточная капельная жидкость адсорбируется и по раструбу каплеуловителя 8 стекает в нижнюю часть устройства, где накапливается и через выходной патрубок жидкости 17 автоматически выводится из устройства.
На выходе из устройства замеряется динамический напор газа в патрубке 11, к отборным устройствам 9 и 10 которого может быть присоединен любой дифференциальный манометр. Динамический напор зависит исключительно от скорости газового потока и при известном сечении патрубка в плоскости измерения напора характеризует количество выходящего газа.
Накапливающаяся в нижней части устройства жидкая фаза (вода и конденсат) образует уровень, величина которого на заданном значении поддерживается поплавковым или другим устройством, управляющим регулируемым штуцером 18 для сброса жидкой фазы, либо нерегулируемым штуцером, подбираемым по сечению, обеспечивающему баланс между поступлением и сбросом жидкой фазы при заданном перепаде давления на штуцере.
Твердая фаза периодически сбрасывается из устройства через патрубок 1.
Такая конструкция устройства, обеспечивающая высокое рабочее давление внутри устройства (до 120 МПа и выше), значительно снижает металлоемкость его и стоимость путем замены части металла на отверждаемый раствор, который после отверждения обладает достаточно высокой прочностью, способной сопротивляться внутреннему давлению устройства, толщина которой между металлическими стенками легко поддается прочностному расчету.
Предлагаемое устройство позволяет обеспечить высокое рабочее давление без значительного увеличения металлоемкости и стоимости, высокое качество сепарации при высоком статистическом давлении внутри устройства независимо от колебаний количества проходящего через устройство газа, автоматический сброс жидкой фазы из устройства и измерение количества прошедшего через устройство газа.
Источники информации
1. Лобков А.М. Сбор и обработка нефти и газа на промысле. - М.: Недра, 1968, с.10-14.
2. Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений. - М.: Недра, 1975, с.382-385.
3. Байков Н.М., Колесников Б.В. и др. Сбор, транспорт и подготовка нефти. - М.: Недра, 1975, с.114-115.
4. Авт. св. № 413962, опубл. 1972 г.
5. Патент на изобретение RU 2221625, опубл. 2003 г.
6. Патент на изобретение RU 224584, опубл. 2003 г.
7. Корчажкин М.Т. Циклонный сепаратор для очистки газа от жидкой фазы. - Разработка газовых месторождений, транспорт и экономика природных газов. Труды ВНИИ природных газов. Вып.2(10), 1959,  с.92-128 - прототип.
8. Сосуды и трубопроводы высокого давления. Справочник. - М.: Машиностроение, 1990, с.6-39.