Трехфазный сепаратор
Полезная модель относится к технике одновременного предварительного обезвоживания и газосепарации нефтей на промыслах и может быть использовано в других отраслях для разделения смесей жидкостей и газа. Трехфазный сепаратор ТФС включает горизонтальную емкость со штуцерами ввода двух разных потоков промысловых газожидкостных смесей ГЖС и вывода разделившихся фаз с двумя одинаковыми полуперегородками, не доходящими до верха емкости и делящими ее на три камеры: две отстойно-разделительные камеры ОРК, каждая из которых примыкает к своему торцевому днищу, а вторыми концами ограничиваются вертикальными полуперегородками, последние формируют нефтесборную камеру в центральной части емкости между двумя ОРК, которые зеркально повторяют друг друга по размерам и внутреннему устройству. Каждая ОРК содержит одно или несколько сливных устройств, соединяющих их с нефтесборной камерой. Кроме того, с внешней стороны у каждого торцевого днища емкости установлены разные по конструкции вертикальные трубные колонны ВТК, соединенные с емкостью трубопроводами для жидкостей и газов, к которым в горизонтальной плоскости в средней части тангенциально подсоединены концевые участки промысловых трубопроводов, к одному из которых в вертикальной плоскости подсоединен наклоненный трубопровод, соединенный верхним концом с верхней частью второй вертикальной трубной колонны.
Изобретение позволяет в одном ТФС одновременно и раздельно производить обезвоживание и сепарацию двух нефтей, одна из которых имеет газовый фактор в несколько раз превышающий этот показатель у второй нефти, а также сбрасывать без смешения несовместимые пластовые воды, повысить качество нефти, газа и сбрасываемых вод. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Полезная модель относится к технике предварительного обезвоживания и газосепарации нефти на промыслах и может быть использовано в других отраслях для разделения смесей жидкостей и газов.
Известен отстойник для отделения воды от нефти, включающий горизонтальную емкость, в которой размещена перегородка для стабилизации уровня нефтяного слоя (Нефтяное хозяйство, 
2, 1974, с.62, рис.5). Недостатком данного отстойника является завихрение потока водонефтяной эмульсии в отстойной камере, что значительно ухудшает качество отделившихся фаз.
Известен отстойник для отделения воды от нефти, содержащий цилиндрическую емкость, разделенную перегородкой на приемную и отстойную камеры (патент Франции 2220298, кл. B01D 17/02, 1974). У этого аппарата низкий коэффициент использования объема отстойной камеры и, соответственно, низкая производительность и качество конечных продуктов разделения эмульсии.
Известны аппараты для разделения трехфазных смесей (нефть-вода-газ), в которых повышение качества отделившихся фаз достигается за счет выделения в них объема в виде камеры для сбора отделившейся нефти (авт. св. СССР 801847, кл. B01D 17/04, 1981; патент США 3971719, кл. 210-104, 1976; авт. св. СССР 1142136, кл. B01D 17/04, 1985). Аппараты содержат горизонтальную цилиндрическую емкость со штуцерами ввода эмульсии нефти и вывода отделившихся фаз, систему перегородок и полуперегородок, делящих емкость на отсеки, и в середине емкости - камеру для сбора отделившейся нефти. Конструкция этих аппаратов позволяет повысить качество отделившейся нефти, но за счет загромождения аппарата сложными конструкторскими элементами, особенно в отстойной камере, снижается ее рабочий объем и, соответственно, снижается производительность аппарата в целом, а также качество отделившейся воды.
Известен аппарат для сепарации и предварительного обезвоживания нефти (Каспарьянц К.С. и др. Процессы и аппараты для объектов промысловой подготовки нефти и газа. - М.: Недра, 1977, с.156, рис.51), содержащий горизонтальную цилиндрическую емкость со штуцерами ввода эмульсии и вывода отделившихся фаз, с вертикальной перегородкой, не доходящей до верха аппарата и отделяющей в емкости камеру сбора подготовленной нефти, и полуперегородкой, не доходящей до верха аппарата и отделяющей отсек сбора воды. Недостатком аппаратов такого типа является большой объем газовой зоны (до 30%), длительность процесса разделения и соответственно низкая производительность аппарата по жидкости, значительный унос капельной нефти с газом из-за активного процесса газовыделения на поверхности отделившейся нефти, малый объем отстойной зоны в аппарате.
Известны аппараты для разделения газожидкотсных смесей ГЖС (нефть+вода+газ), в которых повышение качества отделившихся фаз достигается за счет интенсификации воздействия на «промежуточный» слой, образуемый трудноразрушимой эмульсией, путем применения эжекторов, которые устанавливаются под днищем нефтесборной камеры на уровне границы «нефть-вода», поддерживаемой в трехфазном сепараторе. Промежуточный слой, пропускаемый через эжекторы, частично разрушается, однако имеет место процесс диспергирования части капель нефти. Выделившиеся при этом нефть и вода попадают в разделительную камеру, в которой нефть всплывает и переливается в нефтесборную камеру, а вода оседает на дно и по имеющимся каналам соединяется с основной массой воды и в ее составе выводится из аппарата (авт св. СССР 1389805, кл. B01D 17/04, 1988 г., авт св. СССР 1480846, кл. B01D 17/04, 1989 г.). Недостатком аппаратов такого типа является сложность их конструкции; в аппаратах имеется пять камер: ввода ГЖС, сборная нефтяная камера, разделительная камера, камера перепуска сточной воды под днищем нефтесборной камеры и камера сбора сточной воды. В камерах нефтесборной и водосборной необходимо поддерживать границы раздела «газ-нефть» и «газ-вода».
Известен аппарат (авт св. СССР 1755863, кл. B01D 19/00, 1992 г.), в котором качество нефти и воды улучшается за счет организации улавливания и вывода нефтепромысловой грязи из поступающего по системе сбора нефти газожидкостного потока для предотвращения от засорения внутренних устройств какими-либо механическими примесями, выпадения твердых частиц на дне сепаратора. Недостатком является то, что данная конструкция имеет ограниченное применение только на тех месторождениях, на которых имеет место суффозия пласта, либо в системе сбора производится смешение несовместимых вод, и во взвешенное состояние выпадают твердые частицы, образующие конгломератные образования со смолами, асфальтенами и парафинами, содержащимися в смешиваемых нефтях в составе ГЖС. Еще одним недостатком является то, что вся предварительно обезвоженная нефть может переливаться в нефтесборную камеру только через вертикальную полуперегородку. Данный трехфазный сепаратор характеризуется большим объемом газовой зоны, большим объемом отстойной камеры, длительностью процесса разделения нефти и воды. Кроме того, в отстойной камере данного ТФС у нефтепереливной полуперегородки, отделяющей нефтесборную камеру, образуется зона, в которой застаивается отделившаяся от эмульсии нефть. Эта зона в своей нижней части почти доходит до дна емкости, что приводит к загрязнению нефтью выводимой из аппарата воды.
Все рассмотренные в патентном обзоре изобретений конструкции трехфазных сепараторов выявили, что большинство из них разрабатывалось на поток усредненной газожидкостной смеси (ГЖС), представляющей смесь промысловой эмульсии, частично нефтей и попутных вод, насыщенных остаточным газом под давлением, поддерживаемым в системе сбора и в аппарате. Такая ситуация реально существует на средних и крупных месторождениях, либо (в крупных нефтедобывающих компаниях) когда трубопроводная система сбора нефти с группы мелких месторождений формирует усредненную ГЖС, вводимую в ТФС.
Однако, в последние два десятилетия в стране созданы и работают десятки мелких нефтедобывающих компаний, которые разрабатывают одно многозалежное месторождение, и при этом нефти и пластовые воды из разных залежей весьма значимо отличаются друг от друга по химическому составу, плотности, вязкости и газовому фактору. Смешение таких разных потоков на входе в ТФС приводит к негативным последствиям: имеет место интенсивное перераспределение газа между нефтями и происходит диспергирование крупных глобул нефти в мелкие, более устойчивые в процессе обезвоживания. Кроме того, в ТФС вводится периодически меняющаяся по объему, плотности, содержанию газа и воды ГЖС. Указанное объясняется многими техническими причинами эксплуатации системы сбора нефти, в частности остановками ряда скважин при проведении многочисленных видов работ от снабжения промысла электроэнергией и ликвидации аварий на трубопроводах до замены оборудования на скважинах (КТП, пультов управления, смены УЭЦН и т.д.). Разная плотность, вязкость нефтей, их разная обводненность периодически приводят к изменению свойств ГЖС и даже к получению несовместимых смесей вод, выпадению взвесей в водной фазе.
В связи с изложенным возникла потребность не увеличивая количества ТФС, сосредоточить технологию разделения разных ГЖС на составляющие фазы в отдельных секциях одного аппарата.
За прототип принят трехфазный сепаратор (авт. св. СССР 2114678, кл. B01D 17/04, 19/00, 1988 г.), который включает емкость со штуцерами ввода нефтяной эмульсии и вывода отделившихся фаз, с полуперегородкой, не доходящей до верха емкости и делящей ее на отстойную и нефтесборную камеры, и с устройством для перепуска эмульсии в отстойную камеру, которое содержит одно или несколько сливных устройств, установленных в отстойно-разделительной камере вдоль емкости. Устройство представляет собой лоток, дно которого наклонено в сторону перегородки. Верхняя кромка лотка расположена горизонтально, на уровне сливной кромки вертикальной полуперегородки, а нижний торец открыт и прикреплен к сделанному в полуперегородке вырезу. Внутри лотка параллельно его дну установлены полки, образующие между собой и дном лотка сквозные каналы, соединяющие отстойно-разделительную и нефтесборную камеры. Верхние кромки полок расположены поперек лотка горизонтально, на уровне переливной кромки полуперегородки, а нижние прикреплены к вырезу в полуперегородке с образованием в ней горизонтальных щелей, причем нижняя кромка верхней полки ниже уровня нефти в отстойной камере.
Трехфазный сепаратор по прототипу обладает большим количеством положительных конструктивных и технологических показателей, и все они сохраняются в данной заявке на предполагаемое изобретение. Главный недостаток прототипа состоит в том, что он предназначен для обработки родственных по составу и свойствам промысловых газожидкостных смесей ГЖС. В случае ввода в ТФС по авторскому свидетельству СССР 2114678 ГЖС, добываемых из угленосных и пермских отложений, совместно с ГЖС, добываемыми из девонских отложений, образуются мощные «переходные» слои, представляющие собой технологический нефтешлам, в котором содержатся стойкие, трудноразрушаемые и обрабатываемые нефтяные эмульсии, а сточные воды повышенно загрязнены нефтепродуктами и механическими примесями, попадающими в них из «переходных» слоев.
Задачей решения выявленной потребности обработки в одном аппарате двух разных потоков промысловых ГЖС, различных по физико-химическим свойствам и составам нефтей, их газовых факторов, составам газов и попутных пластовых вод, является создание ТФС, в котором в разных отстойно-разделительных камерах одновременно производится предварительное обезвоживание разных нефтей с последующим их смешением, отделение от них газа и получение двух типов сточных вод, пригодных для ППД.
Технический результат решается тем, что трехфазный сепаратор, включающий вертикальную трубную колонну ВТК, которая трубопроводами для ввода жидкости и газа соединена с емкостью, снабженной штуцерами вывода легкой и тяжелой фаз, с полуперегородкой, не доходящей до верха емкости и делящей ее на нефтесборную и отстойно-разделительную ОРК камеры, в которой вдоль емкости установлено одно или несколько сливных устройств для легкой фазы, представляющих собой лоток, дно которого наклонено в сторону полуперегородки, а верхний край расположен в горизонтальной плоскости на уровне верхней кромки нефтепереливной полуперегородки, нижний торец открыт и прикреплен к вырезу в полуперегородке, внутри лотка параллельно его дну к его стенкам прикреплены полки, верхние кромки которых расположены поперек лотка на уровне его верхнего края, а нижние кромки прикреплены к вырезу в полуперегородке таким образом, что образуют горизонтальные щели, причем нижняя кромка верхней полки расположена ниже верхнего уровня нефти в ОРК, а полки образуют между собой боковыми стенками и дном лотка каналы, соединяющие отстойно-разделительную и нефтесборную камеры емкости, при этом верхние кромки полок в горизонтальной плоскости делят поверхность лотка на равные части и выполнены фигурными, например, зубчатыми, дополнительно емкость снабжена второй полуперегородкой, не доходящей до верха емкости, образующей совместно с первой полуперегородкой нефтесборную камеру в центре емкости, а также вторую ОРК, зеркально расположенную и повторяющую по размерам и устройству первую ОРК и примыкающую к свободному торцевому днищу емкости, а также второй ВТК, соединенной трубопроводами для жидкости и газа с емкостью ТФС, при этом к средней части второй ВТК в горизонтальной плоскости тангенциально подсоединен концевой участок второго промыслового трубопровода, к которому в вертикальной плоскости подсоединен наклоненный трубопровод, соединенный верхним концом с верхней частью второй ВТК, кроме того, внутренние пространства концевого участка промыслового трубопровода и наклоненной трубы соединены трубными перемычками.
Прототип был испытан на Тимашевской и Берендеевской УПСВ.
На фиг.1 приведен общий вид ТФС в разрезе, на фиг.2 - разрез А-А на фиг.1 (вид сверху), на фиг.3 - разрез Б-Б, на фиг.1 (вид сбоку перпендикулярно оси емкости).
ТФС содержит емкость 1 со штуцерами ввода газа в газовую зону и жидкой составляющей первого потока в ОРК.
Трехфазный сепаратор содержит емкость 1 со штуцерами 2 и 17 ввода, вывода предварительно обезвоженной нефти 3, вывода двух разных потоков сточных вод 4 и 18 и вывода газа 5. К штуцерам 2 и 17 ввода в ТФС жидкой части ГЖС и газа 25 и 29 с двух противоположных сторон подсоединены трубные вертикальные колонны ТВК разных размеров и конструкций 19 и 20, к которым по касательной подсоединены концевые участки промысловых трубопроводов 27 и 23, а также наклоненная труба 24 к верхней части второй ВТК-2. Внутреннее пространство емкости 1 разделено вертикальными полуперегородками 7 и 28, не доходящими до верха, на отстойно-разделительные камеры (ОРК-1) 8 и (ОРК-2) 22, между которыми в центре емкости расположена нефтесборная камера 9. От ВТК-1 19 в ОРК-1 8 введен патрубок 6, а в газовую зону емкости 1 из ВТК-1 19 введен газопровод 29. От ВТК-2 20 в ОРК-2 22 введен патрубок 21, а в газовую зону емкости 1 из ВТК-2 20 введен газопровод 25. Внутри ОРК-1 8 и ОРК-2 22 вдоль емкости 1 установлены зеркально расположенные одинаковые сливные устройства 10, изготовленные в виде лотков для слива отделившейся легкой фазы - нефти в нефтесборную камеру 9. Верхние образующие 11 лотков 10 расположены в горизонтальной плоскости на уровне сливных кромок 12 полуперегородок 7 и 28, а днища 13 наклонены в сторону нефтесборной камеры 9. Нижние торцы лотков 10 выполнены открытыми и подсоединены к вырезам 14 в полуперегородках 7 и 28. Внутри лотков 10 параллельно его дну установлены полки 15, прикрепленные боковыми кромками к стенкам лотков, а нижним краем - к вырезам 14 в полуперегородках 7 и 28, таким образом, что образуют в вырезах 14 щели 16.
Трехфазный сепаратор работает следующим образом. С двух сторон к ТФС по концевым участкам промысловых трубопроводов 27 и 23 подводятся потоки ГЖС, характеризуемые разными физико-химическими свойствами нефтей, попутных пластовых вод и различными по составу газами. По концевому участку первого промыслового трубопровода 27 поступает ГЖС-1, газовый фактор в которой значительно меньше, чем газовый фактор в ГЖС-2, подводимой к ТФС по концевому участку второго промыслового трубопровода 23. Такое конструктивное решение принято с целью сохранения технологии ввода отдельных потоков ГЖС в свои отстойно-разделительные камеры ОРК-1 и ОРК-2 и для исключения возможности передиспергирования части эмульсии при смешении потоков на входе в емкость 1, в процессе которой образуются более мелкие капли, а, следовательно, более стойкие, что отрицательно отразится на процессе разделения в целом.
Далее, сначала отдельно рассмотрим работу части ТФС, в которую вводится поток ГЖС-1 с меньшим газовым фактором. ГЖС-1 введенная в ВТК-1 19, в которой крупные газовые пузыри занимают верхнюю часть объема, а нефть с мелкими газовыми пузырями и небольшим количеством растворенного в ней газа, через штуцер 2 вводится в ОРК-1 8 ниже уровня границы раздела «нефть-вода» и распределяется по объему ОРК-1 8. Нефть и увлеченная с ней эмульсия всплывают и переливаются в ближайшее щелевое отверстие 16 сливного устройства 13, по которому перепускается в нефтесборную камеру 9. Тяжелая фаза - попутно добытая пластовая вода - опускается на дно ОРК-1 8 и через штуцер 4 выводится из аппарата. Газ, выделенный из ГЖС в фазу, поднимается в газовую зону ТФС, из которой в составе смеси с газом, выделившимся из второй ГЖС-2, выводится из аппарата через штуцер 5.
Одновременно с описанным выше, во второй части ТФС осуществляется следующее. По концевому участку второго промыслового трубопровода 23 к ВТК-2 20 подходит ГЖС-2 с высоким газовым фактором, в которой находятся крупные, иногда очень крупные газовые пузыри, которые способны нарушить процесс разделения ГЖС-2. Для предотвращения нежелательного нарушения технологии к концевому участку промыслового трубопровода 23, в вертикальной плоскости сверху подсоединена наклоненная труба 24, по которой отводится основная часть крупных газовых пузырей непосредственно в занятую газом верхнюю часть второй ВТК-2 20. Жидкая смесь из состава ГЖС-2 тангенциально вводится в ВТК-2 20, закручивается, при этом средние и часть мелких пузырей занимают сначала центральную зону ВТК-2 20, а затем поднимаются вверх, объединяются с газом крупных пузырей и по трубопроводу 25 перепускается в газовую зону ТФС, где смешивается с газом первого потока ГЖС-1. Смешение обоих газов происходит практически спокойно и не отражается на разделении жидких фаз в ОРК-1 8 и ОРК-2 22. Газ выводится из ТФС через штуцер 5. В ОРК-2 22 происходит отделение нефти и эмульсии (фиг.2, 3), которые затекают в щели 16 сливного устройства 13, поступают в нефтесборную камеру 9, в которой смешиваются с нефтью и эмульсией, поступающими в эту камеру из ОРК-1 8. Нефть выводится из ТФС через штуцер 3. Вода из ОРК-1 8 выводится через штуцер 4, а из ОРК-2 22 - через штуцер 18.
Необходимо указать, что часть нефти, всплывшая в непосредственной близости от вертикальных полуперегородок 7 и 28, может переливаться (фиг.2) через верхние кромки 12 этих перегородок непосредственно в нефтесборную камеру 9.
Описанная выше конструкция ТФС и технологический процесс разделения двух разных потоков ГЖС позволяет без возмущения потоков на входе в ТФС в оптимальных условиях выделять из них газ, нефть и без смешения два потока попутных соленых вод из ОРК-1 8 и ОРК-2 22.
Трехфазный сепаратор, включающий вертикальную трубную колонну, которая трубопроводами для ввода жидкости и газа соединена с емкостью, снабженной штуцерами вывода легкой и тяжелой фаз, с полуперегородкой, не доходящей до верха емкости и делящей ее на нефтесборную и отстойно-разделительную камеры, в последней вдоль емкости установлено одно или несколько сливных устройств для легкой фазы, представляющих собой лоток, дно которого наклонено в сторону полуперегородки, а верхний край расположен в горизонтальной плоскости на уровне верхней кромки нефтепереливной полуперегородки, нижний торец открыт и прикреплен к вырезу в полуперегородке, внутри лотка параллельно его дну к его стенкам прикреплены полки, верхние кромки которых расположены поперек лотка на уровне его верхнего края, а нижние кромки прикреплены к вырезу в полуперегородке таким образом, что образуют горизонтальные щели, причем нижняя кромка верхней полки расположена ниже верхнего уровня нефти в отстойно-разделительной камере, а полки образуют между собой боковыми стенками и дном лотка каналы, соединяющие отстойно-разделительную и нефтесборную камеры емкости, при этом верхние кромки полок в горизонтальной плоскости делят поверхность лотка на равные части и выполнены зубчатыми, отличающийся тем, что емкость снабжена второй полуперегородкой, не доходящей до верха емкости, образующей совместно с первой полуперегородкой нефтесборную камеру в центре емкости, а также вторую отстойно-разделительную камеру, зеркально расположенную и повторяющую по размерам и устройству первую отстойно-разделительную камеру и примыкающую к свободному торцевому днищу емкости, а также второй вертикальной трубной колонной, соединенной трубопроводами для жидкости и газа с емкостью трехфазного сепаратора, при этом к средней части второй вертикальной трубной колонны в горизонтальной плоскости тангенциально подсоединен концевой участок второго промыслового трубопровода, к которому в вертикальной плоскости подсоединен наклоненный трубопровод, соединенный верхним концом с верхней частью второй вертикальной трубной колонны, кроме того, внутренние пространства концевого участка промыслового трубопровода и наклоненной трубы соединены трубными перемычками.
