СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ СМЕСИ ТЕКУЧИХ СРЕД
METHOD AND DEVICE TO SEPARATE FLUID MIXES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству, предназначенным для разделения смеси текучих сред, которые не полностью смешиваются друг с другом. Такие смеси получаются, например, при добыче полезных ископаемых из нефтяных и газовых скважин. Продукты при такой добыче могут содержать смеси газа, нефти и воды. Эти смеси могут включать три фазы. В зависимости от давления и других физических условий добываемые смеси могут содержать две фазы - углеводородную фазу, содержащую нефть и, возможно, растворенный газ и воду. Также бывают случаи, когда присутствие газа маловероятно, в результате чего получается смесь, состоящая из двух фаз.
Уровень техники
Перед дальнейшей транспортировкой ценных продуктов предпочтительно отделять фазу воды от фазы углеводородов. К настоящему времени были разработаны устройства, предназначенные для разделения таких смесей на соответствующие фазы и для отбора фазы воды.
В российской патентной публикации №2077364 описано устройство, предназначенное для разделения смеси текучих сред на три фазы, газ, жидкость с низкой плотностью и жидкость с высокой плотностью, содержащее входное отверстие подачи, выходное отверстие для газа и выходные отверстия для жидких фаз. При работе этого устройства смесь газа, жидкости с низкой плотностью и жидкости с высокой плотностью подают во входное отверстие подачи устройства разделения. Смесь проходит вверх через наклоненную вверх трубу подачи к входному отверстию трубы, наклонной вниз. На верхнем конце трубы, наклоненной вниз, газ отделяется от жидкостей, которые падают вниз в направлении к нижнему концу трубы, наклонной вниз. Газ, более легкую жидкость и более тяжелую жидкость отбирают по отдельности из устройства через соответствующие выходные отверстия.
Недостаток известного устройства разделения состоит в том, что в наклоненной вверх трубе подачи возникают условия турбулентности, и в трубе, наклоненной вниз, преобладает противоток, причем эти явления отрицательно влияют на эффективность работы разделительного устройства.
В заявке на европейский патент №1044711 описано устройство, предназначенное для разделения смеси текучих сред на три фазы; газ, жидкость с низкой плотностью ("более легкая жидкость") и жидкость с высокой плотностью ("более тяжелая жидкость"), содержащее входное отверстие, выходное отверстие для газа, выходное отверстие для более легкой жидкости и выходное отверстие для более тяжелой жидкости. Устройство содержит:
- обычно горизонтальную трубу подачи, на входном конце которой расположено входное отверстие подачи;
- наклонную трубу, на верхнем конце которой имеется входное отверстие, соединенное с выходным отверстием трубы подачи, и нижний конец которой закрыт;
- систему выпуска газа, содержащую вертикальный стояк для газа, который имеет входное отверстие, расположенное в пространстве, заполненном газом, и выходное отверстие, которое соединено по текучей среде с выходным отверстием для газа устройства;
- систему выпуска более легкой жидкости, входное отверстие которой расположено в пространстве, заполненном более легкой жидкостью, и выходное отверстие которой соединено по текучей среде с выходным отверстием более легкой жидкости устройства; и
- систему выпуска для более тяжелой жидкости, входное отверстие которой расположено ниже уровня дна трубы подачи и выходное отверстие которой соединено по текучей среде с выходным отверстием для более тяжелой жидкости устройства,
в котором диаметр трубы подачи выбирают так, что при нормальной работе скорости жидкостей находятся ниже ранее определенного значения, в котором отношение длины трубы подачи к ее диаметру больше чем 10, и в котором наклон наклонной трубы выбирают так, что при нормальной работе в наклонной трубе поддерживается разделенный на слои поток.
Одно из преимуществ такого устройства, по сравнению с устройством в соответствии с российским патентом, состоит в поддержании условий разделенного на слои потока. Однако системы выпуска, в частности системы выпуска более тяжелой жидкости, являются сложными. Хотя такая конструкция может работать в широком диапазоне рабочих условий, она не обеспечивает возможность активного управления потоком.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на преодоление этих недостатков.
В соответствии с этим настоящее изобретение направлено на способ разделения смеси текучих сред, которые не полностью смешиваются друг с другом, по меньшей мере, на две фазы, одна из которых имеет более высокую плотность, чем другая, включающий:
- пропускание смеси через обычно горизонтальную трубу подачи с входным отверстием подачи на ее входном конце и выходным отверстием на ее выходном конце;
- последующее пропускание смеси через наклонную трубу, на верхнем конце которой расположено входное отверстие, которое соединено с выходным отверстием трубы подачи, при поддержании условий разделенного на слои потока в наклонной трубе так, что фаза текучей среды с более низкой плотностью ("более легкая фаза") располагается над фазой текучей среды с более высокой плотностью ("более тяжелая фаза");
- отбор текучей среды с более низкой плотностью через первую систему выпуска, входное отверстие которой расположено так, что оно соединено по текучей среде с более легкой фазой;
- отбор текучей среды с более высокой плотностью через вторую систему выпуска, расположенную в наклонной трубе, входное отверстие которой соединено по текучей среде с более тяжелой фазой;
в котором поверхность раздела между более легкой фазой и более тяжелой фазой в наклонной трубе отслеживают с использованием средства контроллера уровня, которое изменяет поток текучей среды с более высокой плотностью для поддержания поверхности раздела в пределах установленных значений уровня.
Способ позволяет обеспечить простое раздельное извлечение различных фаз из устройства разделения. Тот факт, что в смеси поддерживают условия разделенного на слои потока, является основным принципом работы такой установки. В одном варианте выполнения труба подачи отличается от магистрального трубопровода, через который смесь подают в описанное устройство разделения. Такой подход используют в случае, когда смесь не находится в условиях разделенного на слои потока, и трубу подачи при этом используют для получения таких условий разделенного на слои потока. В альтернативном варианте выполнения, в частности, когда смесь уже находится в условиях разделенного на слои потока, в качестве трубы подачи используют магистральный трубопровод. Заявители настоящего изобретения определили, что условия разделенного на слои потока в трубопроводе подачи можно поддерживать, если диаметр трубы подачи выбирают так, что при нормальной работе скорости жидкостей находятся ниже заранее определенного уровня, и если отношение длины трубы подачи к ее диаметру больше 5, в частности больше 10. Заявитель также определил, что наклон наклонной трубы можно выбирать таким образом, что в наклонной трубе при нормальной работе поддерживаются условия разделенного на слои потока. Наклон наклонной трубы, предпочтительно, выбирают в диапазоне от 1 до 5, предпочтительно, от 1 до 3° от горизонтальной плоскости. Условия разделенного на слои потока позволяют использовать отслеживание уровня для определения расположения поверхности раздела между более тяжелой и более легкой фазами. Этот уровень можно регулировать при использовании первой или второй системы выпуска. В качестве средства контроллера уровня в первой и/или второй системе выпуска, предпочтительно, используют контроллер уровня в комбинации с клапаном.
Вторая система выпуска должна быть соединена по текучей среде с более тяжелой фазой в наклонной трубе. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что такая система выпуска может быть установлена в любом месте вдоль наклонной трубы. Наиболее удобно располагать вторую систему выпуска на выходном конце наклонной трубы.
В другом варианте выполнения настоящего изобретения предложено устройство разделения, которое можно использовать с данным способом. В соответствии с этим настоящее изобретение также направлено на устройство, предназначенное для разделения смеси текучих сред, по меньшей мере, на две фазы, одна из которых имеет более высокую плотность, чем другая, так, что получают фазу текучей среды с более низкой плотностью ("более легкая фаза") и фазу текучей среды с более высокой плотностью ("более тяжелая фаза"), причем устройство содержит:
- обычно горизонтальную трубу подачи с входным отверстием подачи на ее входном конце и выходным отверстием на ее выходном конце;
- наклонную трубу, входное отверстие которой находится на ее верхнем конце, который соединен с выходным отверстием трубы подачи;
- первую систему выпуска, входное отверстие которой расположено так, что оно соединено по текучей среде с более легкой фазой; и
- вторую систему выпуска, расположенную на наклонной трубе, входное отверстие, которое соединено по текучей среде с более тяжелой фазой,
в котором в наклонной трубе установлено средство контроллера уровня, содержащее устройство отслеживания уровня и клапан, установленный в первой и/или второй системе выпуска.
th
Для специалиста в данной области техники будет понятно, что можно использовать множество типов устройств отслеживания уровня. Примеры таких устройств отслеживания уровня включают плавающие устройства или сегментированные устройства отслеживания. Другие примеры представляют собой погружные щупы, магнитные индикаторы уровня жидкости, устройства, построенные на принципе электропроводности или электрической емкости, и ультразвуковые устройства измерения уровня. Краткий обзор пригодных для использования устройств можно найти в публикации Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, John Wiley, New York, 4 ed. Vol.15, 1995, pp.409-433. Устройство отслеживания уровня и клапаны могут работать в системе, управляемой компьютером.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет более подробно описано ниже на примере, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фигуре 1 схематично показан первый вариант выполнения настоящего изобретения, и
на фигуре 2 схематично показан второй вариант выполнения настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Рассмотрим фигуру 1. Здесь показано устройство 1 для разделения смеси текучих сред на две фазы. Оно содержит горизонтальную трубу 2 подачи. На входной стороне труба содержит входное отверстие, которое соединено с магистральным трубопроводом 3, по которому в устройство поступает смесь. Следует отметить, что в данном варианте выполнения труба 2 подачи обеспечивает условия разделенного на слои потока, которые не обеспечиваются в магистральном трубопроводе 3. На выходном конце труба соединена с наклонной трубой 4. В трубе 2 создаются условия разделенного на слои потока, и в наклонной трубе 4 эти условия поддерживаются так, что образуются две отдельные фазы: более легкая фаза текучей среды с более низкой плотностью и более тяжелая фаза с текучей средой с более высокой плотностью. Устройство 1 также содержит первую систему 5 выпуска, входное отверстие которой соединено по текучей среде с более легкой фазой. Система выпуска соединена с выпускной трубой 6, через которую выпускают текучую среду с более низкой плотностью. Наклонная труба 4 заканчивается второй системой 7 выпуска, которая сводится к выходному отверстию, через которое выпускают текучую среду с более высокой плотностью в трубу 8 выпуска. Поверхность раздела между двумя фазами отслеживают с использованием контроллера 9 уровня. Если контроллер 9 уровня указывает, что поверхность раздела выходит за пределы установленных уровней, с помощью клапана 10 регулируют поток текучей среды с более высокой плотностью через выпускную трубу 8 для возврата поверхности раздела обратно в заранее определенный диапазон уровня. Клапан 10 установлен в выпускной трубе 8. Этот клапан также может быть установлен в выходном отверстии наклонной трубы или на нижнем конце наклонной трубы.
В варианте выполнения, при относительно более высокой пропорции текучей среды с более высокой плотностью по сравнению с потоком текучей среды с низкой плотностью, предпочтительно отделять текучую среду с более высокой плотностью через дополнительную систему выпуска, имеющую дополнительное выходное отверстие (11), которое соединено по текучей среде с более тяжелой фазой. Предпочтительно, дополнительное выходное отверстие 11 расположено в донной части горизонтальной трубы подачи. Текучую среду с более высокой плотностью затем соответственно отбирают через выходное отверстие 11 через выпускную трубу 12. Предпочтительно, такой поток текучей среды с более высокой плотностью комбинируют с текучей средой более высокой плотности, отбираемой из второй системы 7 выпуска в выпускной трубе 8. Во второй системе выпуска, предпочтительно, установлен клапан. Дополнительное средство управления, предпочтительно, устанавливают так, что отслеживают давление более легкой фазы в первой системе, и поток текучей среды с более низкой плотностью регулируют в соответствии с измеряемым значением давления. Хотя можно регулировать поток более тяжелой фазы по результатам измерения давления, с практической точки зрения, предпочтительно, регулировать поток текучей среды с низкой плотностью.
Описанные устройство и способ, предпочтительно, используют при добыче углеводородов, причем при такой добыче также получают воду. Следовательно, более легкая фаза в настоящем способе, предпочтительно, включает нефть, и более тяжелая фаза, предпочтительно, содержит воду. В ряде случаев из скважины при добыче углеводородов получают жидкую углеводородную нефть, воду и газ. В таких случаях предпочтительно отделять воду от жидких и газообразных углеводородов. С этой целью настоящее изобретение, предпочтительно, направлено на способ, в котором три фазы разделяют на фазу текучей среды с более низкой плотностью ("более легкая фаза"), фазу текучей среды с промежуточной плотностью ("промежуточная фаза") и фазу текучей среды с более высокой плотностью ("более тяжелая фаза"). Более легкая фаза, предпочтительно, содержит газ, промежуточная фаза содержит нефть и более тяжелая фаза содержит воду. Хотя, в принципе, возможно, отбирать смесь из промежуточной и более тяжелой фаз вместе через вторую систему выпуска, более легкую фазу и промежуточную фазу, предпочтительно, отбирают через входное отверстие первой системы выпуска. Рассмотрим фигуру 2, на которой устройство 20 содержит горизонтальную трубу 21 подачи и наклонную трубу 22. Смесь газа, нефти и воды подают в устройство 20 по трубе 23. Вертикальный стояк 24 соединен по текучей среде с более легкой и промежуточной фазами, то есть с газом и нефтью. Более легкую и промежуточную фазы отбирают из горизонтальной трубы, и отбираемые фазы, предпочтительно, подают в вертикальный стояк 24 для разделения более легкой фазы и промежуточной фазы. Комбинированные фазы можно отбирать из вертикального стояка 24 с помощью любого известного способа. Комбинированные фазы можно пропускать непосредственно в выпускную трубу (трубопровод не показан). Также возможно отбирать более легкую фазу из верхней части секции вертикального стояка и промежуточную фазу из расположенной ниже части секции стояка (не показано). Предпочтительно использовать секцию вертикального стояка, которая содержит два резервуара, и пропускать комбинацию более легкой и промежуточной фаз из первого вертикального стояка 24 во второй наклонный стояк 25. Стояк 25 может иметь форму, показанную на чертеже, но можно использовать и другие формы, такие как короткая (горизонтальная) секция трубы (трубопровода). В таком втором стояке 25 получают явно разделенные фазы. Более легкую фазу затем отбирают из верхней части второго стояка 25 через выпускную трубу (трубопровод) 27, и промежуточную фазу отбирают снизу второго стояка 25 через выпускную трубу (трубопровод) 26. Предпочтительно, поверхность раздела между более легкой и промежуточной фазой отслеживают с использованием второго регулятора уровня 28, который регулирует расход текучей среды промежуточной плотности, для поддержания поверхности раздела между установленными уровнями, с использованием клапана 29, установленного в выпускной трубе 26. Хотя и необязательно, для дальнейшей транспортировки иногда экономически целесообразно комбинировать обе фазы из труб 26 и 27.
В этом способе второй регулятор уровня 28 установлен во втором стояке 25 для отслеживания поверхности раздела между более легкой и промежуточной фазами. Предпочтительно, регулятор уровня 28 соединен с клапаном 29, установленным в трубе 26, для текучей среды промежуточной плотности, для управления расходом данной среды промежуточной плотности. Для специалистов в данной области техники будет понятно, что можно установить аналогичный клапан в трубе 27, для управления потоком текучей среды с более низкой плотностью, и управлять этим клапаном с помощью контроллера 28 уровня. В альтернативном варианте выполнения один или несколько аналогичных контроллеров уровня подключены к клапанам, установленным в обеих выпускных трубах для управления обоими потоками. Кроме того, предпочтительно, устанавливать регулятор отслеживания давления 29 в выпускной трубе 27, который соединен с одним или больше клапанов (30) управления потоком в первой системе выпуска, для управления потоком текучей среды более низкой плотности. В качестве альтернативы регулятор давления 29 может быть соединен с клапаном, установленным в выпускной трубе 26 для управления расходом текучей среды промежуточной плотности. В другом варианте выполнения регулятор давления 29 соединен с двумя клапанами, установленными в трубах 26 и 27 для управлении обоими потоками. На фигуре 2 показан только клапан 30, установленный в выпускной трубе 27 для текучей среды с более низкой плотностью. Таким образом, отслеживают давление в вертикальном стояке 24 и стояке 25, и расход текучей среды с более низкой плотностью или расход текучей среды с промежуточной плотностью, или оба расхода регулируют в соответствии с измеренным значением давления. Текучую среду с более высокой плотностью, например воду, отбирают из наклонной трубы 22 через выпускную трубу 31. Уровень раздела между промежуточной и более тяжелой фазами отслеживают с помощью регулятора уровня 32, который соединен с клапаном 33, установленным в выпускной трубе 31. Система регулятора уровня 32 и клапана 33 работает аналогично эквивалентной системе, описанной на фигуре 1.
Ниже приведен пример устройства разделения, со ссылкой на вариант выполнения, представленный на фигуре 2.
Смесь газа, нефти и воды подают через трубу, с внутренним диаметром 10” (254 мм) в устройство 20 разделения. Горизонтальная труба 21 подачи и наклонная труба 22 имеют внутренний диаметр 48” (1,2 м). Поэтому поверхностная скорость жидкости в устройстве уменьшается приблизительно в 24 раза. Длина горизонтальной трубы подачи и наклонной трубы может быть в диапазоне от 12 до 100 м и от 15 до 120 м соответственно. Снова следует подчеркнуть, что длина трубы подачи не имеет значения, если только в трубе подаче создаются условия разделенного на слои потока. Если смесь текучей среды подают из магистрального трубопровода в условиях разделенного на слои потока, длина трубы подачи может составлять несколько десятков километров. Температура смеси изменяется в пределах 60-85°С, и давление может изменяться от 25 до 85 бар. Предпочтительно, чтобы регулятор уровня был установлен по середине наклонной секции. Он может быть расположен на расстоянии приблизительно 10 м далее от вертикального стояка.
3
При описанных условиях через устройство разделения можно пропускать приблизительно 10000-20000 м смеси в сутки.