Трубный делитель фаз
Предлагаемое техническое решение относится к устройствам для подготовки продукции нефтяных скважин на промысле.
Задачей, стоящей перед авторами, является создание конструкции которую можно применять при широком диапазоне по производительности по жидкости и с мягкими требованиями к составу разделяемой нефтяной эмульсии причем в любой географической и климатической зоне страны.
Поставленная задача решается предлагаемой конструкцией трубного делителя фаз 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 переходниками для соединения их с трубами рамы делителя, например в виде конусов.
Данное конструктивное решение обуславливает местное снижение скорости потока разделяемой эмульсии, предотвращает проскок разделяемой смеси, создает условия для местного перепада давления.
Переходники конусной формы обеспечивают плавное изменение проходного сечения. Это позволяет избежать завихрения потоков.
Как показали испытания, ТДФ может работать в автономном автоматическом режиме и не требует постоянного обслуживания, достаточно ежедневного осмотра, что особенно важно для удаленных месторождений.
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.
Предлагаемый трубный делитель фаз может быть изготовлен на производительность от 100 м3/сут. до 40000 м3 /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.
Трубный делитель фаз, содержащий 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, отличающийся тем, что вертикальные участки корпуса рамы в месте соединения их с горизонтальной трубной перемычкой имеют расширенный участок, выполнены из труб с диаметром больше основного и снабжены переходниками для соединения с трубами рамы делителя.
