ТРУБНЫЙ ДЕЛИТЕЛЬ ФАЗ

Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для подготовки продукции нефтяных скважин на промысле и может применяться в нефтяной, газовой и других отраслях промышленности при разделении эмульсий несмешивающихся жидкостей т.е. при подготовке нефти и воды.
Известен отстойник по а.с. СССР №1105212 «Трубный отстойник» (МПК В01D 17/04, опубл. 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, (другие недостатки).
Данное устройство обладает малой производительностью, сложностью в изготовлении, установке и эксплуатации, т.к. создавалось по принципу усложнения конструкции. В результате сложность не позволяет использовать их на нефтяных эмульсиях с механическими примесями и с повышенной вязкостью и в результате не достигаются показатели подготовленной нефти, позволяющие транспортировать ее по магистральным трубопроводам.
Известен делитель фаз по патенту РФ №2077364, «Сепарационная установка», МПК В01D 19/00, опубл. 04.20.1997 г., представляющий собой наклонную трубную колонну, к верхней части которой подсоединены трубопроводы для подвода газожидкостной смеси 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.
Недостатком конструкции является ее вертикальная неустойчивость. Но она может быть собрана на самом месторождении из небольшого 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 ограниченного сортамента, имеющегося в наличии на местах.
Известен также трубный делитель фаз по патенту РФ №2098166 «Установка сброса воды», МПК 6 В01D 19/00, опубл. 12.10.97 г. Делитель представляет собой трубу с 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 поверхности земли. 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 конце ее.
Основным его недостатком является сложность монтажа, неустойчивость конструкции, требующей усиленного фундамента из-за высокой «парусности» и нагрузки от трубопроводов. Кроме того, он усложнен устройством для отделения газа, хотя дальнейший транспорт отделившихся нефти и газа производится по одной трубе, совместно. Необходимо отметить также пульсирующую нагрузку на верхнюю часть делителя при поступлении в нее эмульсии (на промыслах поток эмульсии носит пульсирующий характер). Это также не способствует повышению надежности устройства и качества отделившихся фаз.
Известен также патент РФ №2206366, МПК 7 B01D 17/02, публ. 2003.06.20 «Отстойник для очистки нефтесодержащей пластовой воды». Отстойник включает корпус, снабженный вертикальными перегородками, ограничивающими гидрофобный слой, трубопровод с распределителем воды для ввода нефтесодержащей пластовой воды, трубопроводы для отвода отделенной нефти и очищенной воды, регулятор уровня раздела фаз «нефть - вода». Корпус отстойника выполнен в виде двух труб, расположенных одна к другой под углом и соединенных в верхней части горизонтальной трубой. Посередине горизонтальной трубы установлен трубопровод с распределителем потока, который выполнен в виде перфорированной трубы с прорезями и помещен в отсек, ограниченный двумя вертикальными перегородками, а в верхней части отстойного водяного отсека установлен колпак для сбора выделившегося газа и отстоявшейся нефти. Кроме того, внутри обеих наклонных труб, параллельно их стенкам, размещен пакет параллельных пластин, установленный на шарнирах с возможностью их поворота с помощью поворотного механизма и снабженный трубопроводом для удаления мехпримесей, а в перфорированной трубе прорези расположены в верхней ее части.
Недостатками же конструкции являются ее конструктивная сложность, громоздкость и ненадежность в работе из-за выпадения на пластинах осадка из воды. Это затрудняет изготовление и монтаж отстойника на месторождениях, а также причиняет неудобства при использовании, особенно на удаленных месторождениях. Этот патент подтверждает тенденцию разработки трубных конструкций аппаратов предварительной подготовки нефти и сброса воды на месторождениях нефти России. Кроме того, отстойник предназначен только для очистки воды от нефти, а использование его для подготовки нефти проблематично.
За прототип принят трубный делитель фаз (ТДФ) по патенту на полезную модель №19771, МПК 7 B01D 17/04 «Трубный делитель фаз»,
опубл. 2001.10.10. Он содержит корпус с штуцерами ввода эмульсии (газожидкостной смеси - ГЖС) и вывода отделившихся фаз, выполненный из труб в виде установленной вертикально рамы с трубной горизонтальной перемычкой, соединяющей внутреннее пространство вертикальных участков корпуса. Штуцер ввода эмульсии в делитель расположен по центру горизонтальной перемычки, а штуцера вывода отделившихся легкой и тяжелой фаз расположены на верхнем и нижнем горизонтальных трубных участках корпуса делителя фаз, соответственно.
Недостатком прототипа является низкое качество разделения нефтяной эмульсии, вызванное ограниченным рабочим объемом рамы корпуса в местах соединения горизонтальной перемычки с его вертикальными трубными участками. Кроме того, в этом месте, при увеличении расхода поступающей на разделение нефтяной эмульсии и происходит проскок ее до дальней стенки вертикального участка рамы корпуса устройства. Это приводит к местным завихрениям и захвату части нефти с оседающей водой, т.е. образованию вторичной, более стойкой чем первичная, эмульсии и снижению качества разделения. Т. о. прототип имеет явное ограничение по производительности, особенно при ее скачках.
К недостатком прототипа можно отнести также ограничение возможности его использования на газосодержащих водонефтяных эмульсиях (или газожидкостной смеси - ГЖС), когда газ находится в смеси не только в мелкодисперсном состоянии, но и в виде крупных пузырей. Это приводит к сильным гидравлическим ударам на входе в трубный делитель фаз и ухудшает качество обеих выделяющихся жидких фаз - нефти и воды. Прототип не годится также для разделения нефтяной эмульсии из высокообводненных залежей нефти, т.к. в них, вместе с нефтяной эмульсией, на поверхность поступает большое количество «свободной» воды, а эту воду в прототипе сбросить не удается.
Задачей, стоящей перед авторами, является создание конструкции трубного делителя, изготовленного из стандартизированных и
сертифицированных, выпускаемых заводами составляющих устройства:
труб, отводов, переходников, тройников и других деталей, применяемых в системах сбора нефти на месторождениях, который можно применять при широком диапазоне по производительности по жидкости и с более мягкими требованиями к составу разделяемой нефтяной смеси в любой географической и климатической зоне страны.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией трубного делителя фаз (ТДФ) содержащем корпус из труб в виде установленной вертикально рамы с трубной горизонтальной перемычкой, соединяющей внутреннее пространство вертикальных участков корпуса. Штуцер ввода эмульсии в делитель расположен по центру горизонтальной перемычки, а штуцера вывода отделившихся легкой и тяжелой фаз расположены на верхнем и нижнем горизонтальных трубных участках корпуса делителя фаз, соответственно. При этом вертикальные участки корпуса рамы, в месте соединения их с горизонтальной трубной перемычкой, имеют расширенный участок, выполнены из труб с диаметром больше основного и снабжены конусными переходниками для соединения их с трубами рамы делителя. Таким образом в ТДФ создается делительная камера, позволяющая вести разделение эмульсии (ГЖС) на фазы в более спокойном режиме. Данное конструктивное решение снижает скорость потока разделяемой ГЖС на входе в раму корпуса и предотвращает его проскок к дальней стенке. Кроме того в нем созданы условия для местного перепада давления, достаточного для выделения в объеме поступающей жидкости пузырьков газа без гидроудара, но интенсифицирующих процесс выделения мелких глобул нефти из объема воды и всплывания выделившейся из потока смеси нефти. При этом газ остается в оболочке нефтяных капель, увеличивает их объем, снижает ее плотность и заметно увеличивают скорость ее всплывания. Этого эффекта невозможно достичь простым увеличением диаметра труб рамы корпуса ТДФ т.к. смысл предложения в местном характере расширения, с возвратом затем к размерам труб рамы. Предложение также значительно
улучшает качество воды, выводимой из предлагаемого трубного делителя фаз. Это особенно важно для высокообводненных месторождений, если вместе с разделяемой смесью в аппарат поступает «свободная» вода, которая является частью пластовой воды, поступающей вместе с добываемой нефтью. «Свободная» вода является высокоминерализованным рассолом, содержащим значительное количество кальция, магния, а также калия, натрия и др. Она является высоко коррозионной средой для металла оборудования месторождений - трубопроводов, насосов, КИПиА и т.д. Предлагаемый аппарат позволяет получать сточную воду с качеством, достаточным для использования ее при поддержании пластового давления (ППД), что является одной из приоритетных задач для любого месторождения нефти.
Участок ТДФ увеличенного диаметра сверху и снизу снабжен переходниками (конусными) с большего диаметра труб, до диаметра труб вертикального участка корпуса рамы. Данные переходники вместе с участком увеличенного диаметра образуют камеру для деления входящей в ТДФ смеси. Их наличие создает условия для образования местного перепада давления, но препятствует образованию крупных газовых пузырей. Дополнительно достигается плавное уменьшение проходного сечения как для отделившейся нефти, так и для воды при их движении из камеры деления вверх и вниз соответственно. Это позволяет избежать возмущения потоков на входе их в трубопроводы меньшего диаметра и обеспечивает стабильность качества выделяемых из нефтяной эмульсии нефти и воды.
Простота конструкции позволяет изготавливать и устанавливать предлагаемое устройство на любом нефтяном месторождении.
На чертеже изображен трубный делитель фаз в изометрии.
Рамный корпус 1 делителя фаз состоит из установленных параллельно вертикальных труб 2 с расширенным участком 3, горизонтальными верхним и нижним трубными участками 4 и горизонтальной трубной перемычкой 5. К горизонтальной перемычке 5 по ее центру подсоединен штуцер 6 для ввода
промысловой водонефтяной эмульсии на разделение. В середине верхнего горизонтального трубного участка 4 прикреплен штуцер 7 для отвода из ТДФ отделившейся нефти, а в середине нижнего участка 4 прикреплен штуцер 8 для отвода выделившейся в ТДФ воды. Каждый расширенный участок 3 выполнен в виде участка трубы с диаметром большим, чем диаметр основных труб ТДФ и образует в «камеру деления». Этот участок трубы соединен с основными трубами ТДФ конусными переходниками 9. Определение размеров расширенного участка является простым инженерным расчетом и не представляет трудностей для специалистов.
Трубный делитель фаз работает следующим образом. Сырая высокообводненная газонасыщенная нефть (ГЖС), предварительно обработанная деэмульгатором, поступает в него по штуцеру 6 сначала в трубную горизонтальную перемычку 5, в которой делится на два равных потока - правый и левый. Один из них поступает в правый, а второй - в левый вертикальный расширенный участок (делитель фаз) 3 труб 2, где из поступающей на разделение смеси отделяется вода и выпадает по вертикальному трубному участку 2 вниз. Газ при этом не образует пузырей и вместе с отделившейся нефтяной легкой фазой и с остатками воды поступает вверх по 2. Отделившаяся вода поступает с двух сторон в нижний горизонтальный участок 4 корпуса ТДФ и движется к его середине. Затем, через штуцер 8 выводится из ТДФ и подается в систему поддержания пластового давления (ППД) на месторождении. Выделившаяся в участках 3 легкая фаза - газоводонефтяная, со сниженным содержанием воды - поднимается вверх по 2 и с двух сторон поступает в верхний горизонтальный участок 4 корпуса ТДФ, по которому движется к его центру, и по штуцеру 7 выводится из ТДФ. Далее предварительно подготовленная в ТДФ нефть транспортируется на центральный пункт сбора (ЦПС) для дальнейшей подготовки до товарной кондиции.
Предлагаемая конструкция делителя смонтирована из стандартизированных и сертифицированных труб, отводов, переходников,
тройников, задвижек и клапанов, изготавливаемых заводами и применяемых при строительстве системы сбора и подготовки нефти на промыслах, и поэтому работает под давлением системы сбора нефти.
ТДФ позволяет вести процесс сброса воды без выделения попутного газа в отдельную фазу, и на объекте нет необходимости в строительстве факельных установок и газопровода, обычно прокладываемый от установки предварительного сброса воды (УПСВ) параллельно нефтепроводу на ЦПС., т.е. повышается экологичность процесса подготовки нефти на промысле.
Как показали испытания предлагаемого ТДФ на Сосновском месторождении, в процессе деления промысловой эмульсии в ТДФ на предварительно обезвоженную газонасыщенную нефть и воду.
При этом:
- отпадает необходимость строить газопровод от УПСВ на ЦПС;
- уменьшается количество эмульсии, перекачиваемой на ЦПС для глубокого обезвоживания и обессоливания;
- улучшается экологическая обстановка на объекте и вдоль трассы трубопровода перекачки нефти на ЦПС;
- достигается дополнительная разгрузка технологического оборудования на ЦПС от балласта (соленой «свободной» воды), выделенной в ТДФ на УПСВ;
- сокращается энергоемкость добычи и подготовки нефти за счет сокращения потребления электроэнергии на перекачку предварительно обезвоженной нефти на ЦПС и на возвратную перекачку сточной воды с ЦПС на месторождение в пересчете на количество воды, дополнительно сброшенной на УПСВ;
- на ЦПС сокращается расход тепла на подогрев поступающей предварительно обезвоженной нефти за счет уменьшения объема соленой «свободной» воды, сброшенной на УПСВ, теплоемкость которой в два раза выше теплоемкости нефти.
При этом кратно снижаются капитальные вложения при строительстве и в процессе капитальных ремонтов установок предварительной подготовки нефти, а также на замену трубопроводов, вышедших из строя из-за коррозии металла «свободной» водой, и имеет место аналогичное снижение эксплуатационных расходов.
3
3
Предлагаемый трубный делитель фаз может быть изготовлен на производительность от 100 м/сут. до 40000 м/сут. В процессе конструирования могут быть использованы и заложены в конструкцию трубы нефтяного сортамента разных диаметров, изготавливаемые на давление до 4-6 МПа. А для увеличения производительности возможна компоновка блоков с количеством ТДФ в блоке - 2, 4, 8, 16 и т.д.
Как показали испытания, ТДФ может работать в автономном автоматическом режиме и не требует постоянного обслуживания, достаточно ежедневного осмотра, что особенно важно для удаленных месторождений.