Аппарат для обезвоживания нефти
Полезная модель направлена на создание конструкции аппарата для обезвоживания нефти на тех объектах, на которые с соседних месторождений перекачивается смесь промысловых жидкостей хаотично и многократно изменяющаяся за сутки не только по объемам, но и по обводненности, по физико-химическим составам смесей нефтей и пластовых вод. При этом качество обезвоженной нефти и качество сточной воды должны оставаться в пределах установленных показателей. Аппарат включает V-образный распределитель эмульсии, снабженный вертикальными многоярусными распределительными камерами, к каждой из которых с двух сторон прикреплена своя часть перфорированных труб распределительной гребенки, дополнительно аппарат имеет V-образный сборник тяжелой фазы, снабженный вертикальными многоярусными сборными камерами, к каждой такой камере с двух сторон присоединена своя часть перфорированных труб сборной гребенки. Вертикальные многоярусные распределительные и сборные камеры выполнены в конструкции телескопически установленных труб разного диаметра, при этом труба наибольшего диаметра - самая короткая, а центральная наименьшего диаметра - самая длинная, верхние торцы центральных труб и кольцевые торцевые каналы, образуемые двумя соседними трубами, заглушены. Устройство ввода сконструировано так, что по мере увеличения поступающего количества эмульсии плавно подключаются дополнительные горизонтальные перфорированные трубы раздаточной гребенки, и за счет этого практически не изменяется соотношение давлений внутри устройства ввода и в емкости аппарата. Если идет процесс уменьшения загрузки аппарата, так же плавно, по мере снижения уровня жидкости в емкости, выходят из процесса распределения какое-то количество труб раздаточной гребенки. Такая конструкция обеспечивает плавный ввод эмульсии в емкость аппарата практически при одинаковом соотношении давления внутри раздаточного V-образного распределителя эмульсии и в объеме жидкости, заполняющей емкость. Следовательно, на стадии ввода эмульсии в аппарат нет условий для ее передиспергирования, что обеспечивает оптимальные условия для деэмульсации нефти. Обезвоженная в аппарате нефть и сточная вода по своим технологическим показателям остаются в пределах, предусмотренных регламентом ведения процесса.
Аппарат для обезвоживания нефти относится к аппаратам для подготовки продукции нефтяных месторождений на промысле, главным образом для сброса «свободной» попутной пластовой воды, и может применяться в нефтяной, газовой и других отраслях промышленности при разделении эмульсии несмешивающихся жидкостей.
Известно «Устройство для обезвоживания нефти» по а.с. СССР 
1233900 (МПК 6 B01D 17/04, «Бюллетень изобретений» 20, 1986 г.) Оно включает емкость с распределителем нефтяной эмульсии, который выполнен в виде горизонтального кольцевого коллектора, снабженного эжекторами, установленными горизонтально по периметру коллектора с возможностью подачи эмульсии в одну сторону касательно к внутренней стенке емкости, при этом эжекторы выполнены с двумя разными размерами сопел и установлены с чередованием диаметров сопел через одно.
Известен «Аппарат для обезвоживания нефти» по а.с. СССР 1308351 (МПК 6B01D 17/04, «Бюллетень изобретений» 17, 1987 г.). Данный аппарат в отличии от предыдущего снабжен дополнительным кольцевым коллектором с соплами, соединенными с подводящим трубопроводом, установленными над основным кольцевым коллектором и соединенным с ним соплами, выходные концы которых установлены с зазором к нижней внутренней поверхности коллектора, причем последний снабжен эжекторами, расположенными на внутренней образующей с возможностью подачи эмульсии в центральную зону емкости.
Известен «Аппарат для обезвоживания нефти» по а.с. СССР 165536 (МПК 6 B01D 17/04, «Бюллетень изобретений» 22, 1991 г.). Аппарат снабжен центральным коллектором, с которым соединены радиальные распределители, которые расположены поэтапно в шахматном порядке относительно друг к другу и снабжены соплами. При этом сопла на верхнем радиальном распределителе направлены попеременно горизонтально и вверх под углом 10-30° к горизонтальной плоскости и в шахматном порядке относительно друг друга.
Все три прототипа предназначены для обезвоживания нефтей, которые в системе сбора образуют трудноразрушимые эмульсионные системы, приводящие к образованию стойких «промежуточных слоев», увеличения выхода подготовленной нефти. Для всех характерно загромождение центральной части емкости аппаратов, создание интенсивных турбулентных зон и даже закручивающего движения всей массы жидкости, находящейся в аппаратах, и установки успокоительных рубцов против закручивания. Для обезвоживания менее загрязненных нефтей применение таких аппаратов малоэффективно.
Известен «Аппарат для обезвоживания нефти» по а.с. СССР 633417 (МПК 6 В01D 17/02, «Бюллетень изобретений» 19, 1979 г.). Аппарат включает резервуар, в центре которого установлена трубная колонна большого диаметра с отверстиями сверху и снизу и вертикальными переточными козырьками и тороидальными желобами, прикрепленными соответственно к внутренней и наружной стенкам трубы у отверстий, а радиальные коллектора соединены с желобами. Аппарат создает разделение эмульсии на нефть и воду во встречном противоточном потоке нефти вверх, а воды вниз. В аппаратах находится газовая фаза, которая постоянно отводится. Указанный аппарат может работать только при относительно ровном соотношении нефти и воды в промысловой эмульсии, эффективность работы резко снижается при содержании воды менее 40% и более 60%.
Наиболее близким по технической сущности является отстойник для разделения эмульсии, включающий вертикальную цилиндрическую емкость, V-образный распределитель эмульсии и сборники разделившихся фаз, отстойник снабжен двухсторонними перфорированными раздаточными гребенками, подсоединенными к V-образному распределителю [1].
Недостатками известного отстойника являются его удовлетворительная и стабильная работа только при узком диапазоне обводнения и количества нефти, поступающей в отстойник для обезвоживания [2]. По указанному выше параметру при изменении количества и обводненности нефти, поступающей на обработку в аппарат в течении суток, будет иметь место изменения качества получаемых продуктов, ухудшающихся при увеличении загрузки и улучшающихся при ее снижении до оптимума для установленной конструкции делителя фаз.
В конструкции вводного распределительного устройства в прототипе имеется несколько участков, в которых неизбежно произойдет периодическое передиспергирование эмульсии при обработке максимальных объемов поступающей продукции скважин.
V-образный распределитель эмульсии является элементом, имеющим расчетное проходное сечение в деталях, по которым эмульсия направляется в разные стороны и делится пополам. Кроме того, для него рекомендована высота равная 0,15-0,3 высоты емкости.
Раздаточные гребенки расположены в горизонтальной плоскости, перфорированы по нижней образующей труб; изменение объема поступающей эмульсии обуславливает увеличение скорости вытекания ее струи, которые «наталкиваются» на отстойные устройства и «гасят» свою энергию. В данном месте при повышенной загрузке будут иметь место турбулизация и передиспергирование системы и образование вторичной, более устойчивой эмульсии.
Задачей, стоящей перед авторами, является создание конструкции аппарата для обезвоживания нефти, максимально устраняющей недостатки, отмеченные в прототипе: усовершенствовать конструкцию вводных распределительных устройств, внедрение которых позволит повысить эффективность разделения эмульсии, которая многократно изменяется в течении суток по количеству поступающей на обезвоживание и проценту обводненности и получения при этом на выходе из аппарата стабильно обезвоженной нефти и качественной сточной воды.
Убедительным примером аналогичной ситуации служит многократно изменяющаяся в течение суток загрузка блока предварительного сброса воды на Козловском товарном парке Самарской области [3].
Аппарат 1 с целью совершенствования процесса обезвоживания нефти включает V-образный распределитель эмульсии 2, снабженный вертикальными многоярусными камерами 3, 4 и 5, к каждой камере в ярусе с двух сторон прикреплена часть перфорированных труб 6 распределительной гребенки, а вертикальные многоярусные распределительные камеры имеют суммарную высоту от 2/3 до 5/6 высоты РВС. Трубы распределительной гребенки перфорированы по верхней и нижней образующим и со стороны стенки вертикальной емкости 1.
V-образный сборник тяжелой фазы 7 снабжен вертикальными многоярусными сборными камерами 8, 9 и 10, к каждому ярусу которых с двух сторон прикреплена часть перфорированных по нижней и верхней образующим и со стороны стенки емкости 1 труб 11 сборной гребенки, а суммарная высота вертикальных сборных камер 8, 9 и 10 находится в пределах от 1/4 до 1/3 высоты емкости 1.
Вертикальные многоярусные распределительные 3, 4 и 5 и сборные 8, 9 и 10 камеры нижними торцами установлены на уровне верхних образующих плоскостей 12 внутри, соответственно, камер приема эмульсии 13 и камер сбора и вывода воды 14 и выполнены в кострукции телескопически установленных труб разного диаметра, при этом трубы имеющие наибольший диаметр 3 и 8, самые короткие, а центральные трубы 5 и 10 наименьшего диаметра, напротив самые высокие, а верхние торцы этих труб 18 и кольцевые торцевые каналы 15, образуемые двумя соседними трубами, заглушены.
Устройство вывода нефти выполнено разновысокими вертикальными стояками 16 и 17, снабженными на верхних торцах круговыми горизонтальными щелевыми сборниками нефти 23.
Аппарат работает следующим образом. Промысловая жидкость после сепарации газа по трубопроводу 19 вводится в горизонтальную вертикальную емкость 1 и поступает в V-образный распределитель эмульсии 2 через камеру приема эмульсии 13, в которой на уровне верхней образующей плоскости 12 нижними торцами установлены вертикальные многоярусные камеры 3, 4 и 5. Промысловая жидкость (эмульсия) из приемной камеры 13 поступают в каждую из камер в количестве, которое пропускают проводные сечения камеры 3, затем поступает в горизонтальные перфорированные трубы 6 раздаточной гребенки. Данный узел работает путем последовательного поступления эмульсии поочередно: вначале самая нижняя труба, затем следующая и аналогичным образом до верхней трубы 6 соединенной с камерой 3.
После этого, в технологический процесс ввода и распределения эмульсии самостоятельно вступает вводная камера 4 и жидкость последовательно, по мере роста производительности аппарата, заполняет нижнюю подсоединенную к камере 4 горизонтальную трубу 6, затем расположенную выше и последовательно до самой верней горизонтальной трубы 6, подсоединенной к камере 4.
Аналогично вступают все вертикальные распределительные камеры, в нашем примере это камера 5. Из объема камеры эмульсия поступает в нижнюю горизонтальную перфорированную трубу 6, затем расположенную выше трубу 6 и далее до самой верхней горизонтальной трубы 6, что на практике возможно крайне редко. Поскольку удаленные от распределительных камер концы горизонтальных труб не заглушены, то на раздаточном устройстве не может возникнуть значимая разница давлениямежду давлением в емкости 1 и внутри вертикальных многоярусных камер 3, 4 и 5, т.е. возникнуть перепад давления, способный провести передиспергирование эмульсии, с образованием глобул более мелкого размера.
Положительным технологическим аспектом, заложенным в данное V-образное распределительное вводное устройство 2 является саморегулируемое распределение общего количества промысловой жидкости из камеры 13 в распределительные вертикальные многоярусные камеры 3, 4 и 5, а затем из этих камер в перфорированные горизонтальные раздаточные трубы 6, начиная с расположенной внизу распределительной системы камеры 3 и кончая раздаточной трубой, прикрепленной к самому верху верхней вертикальной камеры 5. При сокращении поступающего объема промысловой жидкости в аппарат, процесс выхода из работы горизонтальных перфорированных раздаточных труб происходит в обратном порядке.
Описанный процесс увеличения количества работающих горизонтальных перфорированных труб 6 при увеличении нагрузки на аппарат и уменьшении их количества при уменьшении загрузке аппарата с позиции разделения несмешиваемых, взаимонерастворимых нефти и воды имеет большое количество вариантов (подпроцессов), протекающих внутри всех горизонатльных перфорированных труб 6 находящихся на разных уровнях и высоте и вокруг этих труб, при входе легкой и тяжелой фаз в объем жидкости, заполняющий в моменты времени разную часть (долю) от общего объема аппарата 1.
Известно, что при обводненности более 40-60% в большинстве промысловых жидкостей имеется свободная, эмульсионно не связанная с нефтью вода. Имеются нефти, в которых свободная вода появляется при 5-10% обводненности нефти на устье скважины.
В предложенной конструкции свободная вода начинает формироваться уже в вертикальных многоярусных распределительных камерах 3, 4 и 5 и эта вода вводится в объем жидкости, заполняющей объем емкости 1 через самые нижние горизонтальные перфорированные распределительные трубы 6. При этом, под влиянием разности плотностей нефти и воды основной объем свободной воды выделяется и вводится в емкость 1 через нижнюю вертикальную камеру 3 и преимущественно через нижние горизонтальные раздаточные перфорированные трубы 6. Аналогично по технологии, однако с уменьшающимся количеством выделяемой воды, процесс происходит в вертикальных распределительных камерах 4 и 5.
Если загрузка аппарата по жидкости средняя или незначительная, то описанный выше процесс ввода и распределения промысловой жидкости происходит в вертикальных распределительных камерах 3 и 4.
Нефть, эмульсия и вода распределяются в емкости 1 по слоям в соответствии с удельными весами (плотностями) и медленно перемещаются к противоположной стенке емкости 1. При этом продолжается процесс разрушения эмульсии.
Вода формирует фазу в нижней части объема емкости 1. В зависимости от обводненность нефти доля емкости 1, которую будет занимать водяная фаза может достигать половину высоты резервуара. Учитывая это, в заявке рекомендуется проектировать суммарную высоту вертикальных сборных камер 8, 9 и 10 в пределах от 1/4 до 1/3 высоты РВС. Кроме того, для поддержания уровня границы раздела фаз нефть-вода в аппарате предусматривается обязательная автоматика, перекрывающая клапан на линии откачки воды из аппарата.
Вода из объема емкости 1, занятой водой, под действием разности давления вводится во все горизонтальные перфорированные сборные трубы 11, из которых перетекает в вертикальные сборные камеры 8, 9 и 10, из них в камеру вывода воды 14, из которой по трубопроводу 20 выводится из аппарата 1. Однако количество отбираемой воды регулируется для поддержания совместного перемещения легкой и тяжелой фаз к устройствам их вывода из емкости 1, что способствует эффективности беспрерывного цикла обезвоживания нефти.
Обезвоженная нефть выводится через вертикальные стояки 16 и 17. Высота низкого стояка составляет 1/2 высоты РВС, а высота высокого стояка равна 2/3 высоты РВС. Постоянно в работе находится верхний стояк. Однако если по технологическим причинам в емкости 1 набралось максимальное количество обезвоженной нефти, то ее отбор начинают производить через оба стояка 16 и 17. Отбор нефти прерывают в случае понижения границы раздела фаз нефть-вода до 2/5 высоты емкости 1.
1. Авторское свидетельство СССР 889033 В01D 17/04 «Отстойник для разделения эмульсии» Авторы: Р.И.Мансуров, И.Н.Еремин, Т.Г.Скрябина, Н.С.Маринин, Ю.Д.Малясов, Н.М.Байков.
2. Промышленные испытания технологического резервуара-отстойника с устройствами распределения потоков. «Нефтепромысловое дело», 1982, 1, с. 29, 30. Р.И.Мансуров, И.И.Еремин и др.
3. Разработка высокоскоростного концевого делителя фаз и его внедрение на Козловском месторождении Самарской области. В Известиях Самарского научного центра Российской академии наук. Специальный выпуск «Проблемы нефти и газа». Самарский научный центр РАН, Самара, 2006, с 102-107.
Аппарат для обезвоживания нефти, включающий резервуар вертикальный цилиндрический стальной, V-образный распределитель эмульсии с подсоединенными двусторонними перфорированными раздаточными гребенками и маточники-сборники разделившихся фаз, отличающийся тем, что на противоположных концах от плоскости, диаметрально секущей резервуар вертикальный цилиндрический стальной, и в непосредственной близости от его внутренней стенки установлены устройство ввода и распределения эмульсии и устройство сбора и вывода тяжелой фазы, которые имеют вертикальные и горизонтальные составляющие, основанием вертикальных составляющих являются объемные камеры: распределительная при вводе эмульсии и сборная на стадии вывода воды, к которым на уровне их верхних образующих прикреплены установленные вертикально и телескопически трубы разного диаметра, образующие многоярусные камеры: распределительные при вводе эмульсии и сборные при выводе тяжелой фазы, при этом трубы наибольшего диаметра - самые короткие, а центральные трубы наименьшего диаметра - самые длинные, их торцы и кольцевые торцевые каналы, образуемые двумя соседними трубами, заглушены, и к каждому ярусу вертикальных труб V-образно прикреплена часть горизонтальных перфорированных труб соответственно раздаточной и сборной гребенок обоих устройств.
