Способ разделения неустойчивых эмульсий и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к разделению эмульсий из двух несмешивающихся жидкостей с различной плотностью и может найти применение, прежде всего, для разделения воды и нефти с существенной газовой фазой на глубине работы погружных насосов. Разделение производят на глубине. Используются механизмы центробежной, гравитационно-центростремительной, гидрофобной и гидрофильной сепарации. Нефть поднимают вверх, воду закачивают вниз. Способ разделения эмульсий включает процессы начальной центробежной и последующей гравитационной сепарации с движением предварительно разделенных жидкостей навстречу друг другу в вертикальном направлении, а затем - в противоположном направлении с отводом фракции, обогащенной легкими компонентами вверх, тяжелыми - вниз. Процесс первой ступени центробежной сепарации осуществляют при движении жидкостей снизу вверх. Производят вынужденное инвертирование тяжелой фракции от периферии к центру, а легкой фракции от центра на периферию вращения и выполняют вторую ступень центробежной сепарации по крайней мере во втором спиральном канале без вынужденного инвертирования. Способ и устройство обеспечивают эффективное выделение водяной фазы при добыче нефти непосредственно в скважине. 2 с.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области газонефтедобычи, в частности разделению эмульсий из двух не смешивающихся жидкостей с различной плотностью, и может найти применение, прежде всего для разделения воды и нефти с существенной газовой фазой на глубине работы погружных насосов. Изобретение можно использовать для разделения различных эмульсий, применяемых в металлургическом, химическом и др. производствах, а также при металлообработке.

Известен способ работы и устройство отстойника для нефтегазосодержащих вод (авт.свид. SU N 1681883, кл. B 01 D 17/028, 07.10.1991).

Данное техническое решение обеспечивает разделение сред только при периодической загрузке и разгрузке.

Наиболее близким по решаемой задаче и используемым техническим средствам к предложенному способу является способ разделения двух жидкостей с различной плотностью и устройство для его осуществления (см. источник).

Известен способ разделения неустойчивых эмульсий, включающий процессы начальной центробежной и последующей гравитационной сепарации с движением предварительно разделенных жидкостей навстречу друг другу в вертикальном направлении, а затем в противоположном направлении с отводом фракции, обогащенной легкими компонентами вверх, тяжелыми компонентами вниз (патент RU 2053008, кл.B 01 D 17/028, 27.01.1996) (2).

Известно устройство, которое включает центробежный сепаратор, последовательность вертикальных перегородок с прорезями в них, обеспечивающих встречное и противоположное течение легкой и тяжелой фракции при общем перемещении жидкости от входного устройства к раздельному выходу (патент RU 2053008) (2).

Известное техническое предложение не решает задачу разделения, например, воды и нефти непосредственно в нефтяной скважине на глубине 1000-3000 метров. Организация каскадного движения жидкостей от входа на выход нецелесообразно увеличивает габариты и не позволяет создание устройства с диаметром порядка 100 мм. Утопленный центробежный сепаратор при своей работе будет провоцировать выделение газового компонента и барбатирование этим жидких компонентов эмульсии. В известном устройстве слабо реализованы составляющие гидрофобного и гидрофильного элементов разделения.

Решаемой задачей является - разработка способа и устройства для эффективного выделения водяной фазы при добыче нефти непосредственно в скважине на глубине работы погружного насоса.

Поставленная задача достигается тем, что в способе разделения неустойчивых эмульсий, включающем процессы начальной центробежной и последующей сепарации с движением предварительно разделенных жидкостей навстречу друг другу в вертикальном направлении, а затем - в противоположном направлении с отводом фракции, обогащенной легкими компонентами, вверх, а фракции с тяжелыми компонентам - вниз, при этом процесс первой ступени центробежной сепарации осуществляют при движении жидкостей снизу вверх, производят вынужденное инвертирование фракции с тяжелыми компонентами от периферии к центру, а фракции с легкими компонентами - от центра на периферию вращения, и выполняют вторую ступень центробежной сепарации, по крайней мере, во втором спиральном канале без вынужденного инвертирования, отводят выделенную газовую составляющую, причем последующие ступени сепарации осуществляют в поле гравитационных центростремительных сил при движении жидкостей по траектории, включающей и поперечное движение вокруг последовательности цилиндрических тел при продвижении обеих жидкостей от периферии к центру, и отводят выделенную газовую составляющую.

В устройстве для разделения неустойчивых эмульсий, включающем центробежный сепаратор и гравитационный сепаратор с перегородками, обеспечивающие продвижение жидкостей навстречу друг другу в вертикальном и горизонтальном направлении, при этом центробежный сепаратор выполнен из последовательности соединенных змеевиков, разделенных, кроме последнего, инверторами и включает элементы вывода газовой составляющей, причем в устройство введен также гравитационно-центростремительный сепаратор, выполненный в виде последовательности осесимметричных цилиндров с выполненными в них отверстиями, обеспечивающими продвижение жидкостей вокруг цилиндров, а в цилиндрических зазорах-продвижение фракций навстречу и противоположно при течении от периферии к центру.

На фиг. 1 показан общий вид сепаратора; на фиг.2 - показаны элементы центробежного сепаратора. Сепаратор состоит (фиг.1) из наружного корпуса 1, внутреннего корпуса 2, центробежной части 3, гравитационно-центростремительной части 4, системы подвода смеси 5, трубопровода подачи смеси из центробежной части сепаратора в гравитационно-центростремительную 6, трубопровода отвода газа 7, коллектора ввода рабочей смеси 8 в гравитационно-центростремительную часть 9, цилиндрических перегородок с отверстиями, систему отвода воды 10 с коллектором 11, систему отвода нефти 12 с коллектором 13, полости для сбора газа 14. Полость 15 предназначена для силовых кабелей и технологических магистралей. На фиг.2 представлены - первая секция центробежного сепаратора 16, инвертор 17, вторая ступень центробежного сепаратора 18. Аксонометрия инвертора 17 показана условно незакрученной вокруг оси J.

Для описания работы сепаратора обратимся в начале к фиг.1. Нефтеводяная эмульсия по системе подвода смеси 5 поступает снизу вверх на центробежную часть 3 сепаратора, выполненную, как правило, в виде змеевика. В поле центробежных сил происходит первая ступень сепарации. Фракция (вода) с тяжелыми компонентами концентрируется на периферии, а фракция с легкими компонентами (нефть) - на внутренней поверхности. Выделенная газовая фракция пузырьками поднимается вверх и поступает в трубопровод отвода газа 7. Жидкие фазы по коллектору ввода рабочей смеси 8 поступают в гравитационно-радиальную часть сепаратора, как правило, в район среднего затопления. Далее их движение осуществляется через выполненные отверстия в обечайках цилиндров 9 и вокруг них. Здесь в поле центростремительных сил и при движении в цилиндрических зазорах навстречу и противоположно фракции, продолжая разделяться, они продвигаются от периферии к центру. Отвод осуществляется через систему отвода воды 10 и 11 и нефти 12 и 13. Выделенная в данной части газовая фаза отводится через полость для сбора газа 14, которая соединена с трубопроводом отвода газа 7. Отсепарированная нефть поднимается насосами вверх. Вода закачивается вниз. Газ отводится в межтрубном зазоре элементов скважины и закачивается наверху в газовую магистраль.

Обратимся к фиг.2, где приведены элементы центробежной части сепаратора 3. После первой центробежной секции 16 смесь поступает на инвертор 17. Благодаря этому фракция с тяжелыми компонентами транспортируется на меньший радиус, а фракция с легкими компонентами на больший. Создается неравновесное состояние и предпосылка последующего взаимного прохождения двух жидкостей друг через друга. Механизм гидрофобного и гидрофильного разделения работает после прохождения через инвертор на последующем змеевике 18, который заканчивается разделительной пластиной, локализующей вращение предварительно разделенных фракций. Далее смесь поступает на гравитационно-центростремительную часть сепаратора. Для технико-экономической оценки изобретения укажем только на следующее. Средняя мощность электродвигателей погружных насосов 200 кВт. Из этой мощности 20% тратятся на подъем нефти, остальные 160 кВт идут на подъем горячей воды. В процессе отстойной сепарации вода охлаждается. Далее она нагревается до температуры 80-90^oC или холодной закачивается в нефтенесущий пласт. В ряде случаев создаются крайне неблагоприятные экологические ситуации. Закачка уже горячей воды от уровня сепарации (2000 метров) на относительную глубину 100-200 метров (т.е. 2100-2200 м) потребует примерно 16-20 кВт. Экономия электрической энергии на каждой скважине составит порядка 140 кВт. Данное изобретение может быть выполнено с гравитационно-центробежным сепаратором с движением жидкости через систему перегородок от центра на периферию.

При использовании его на поверхности, например, для сепарации эмульсий в металлообработке устройство может содержать собственные насосы, фильтры для задержки механических составляющих и всю необходимую автоматику.

Формула изобретения

1. Способ разделения неустойчивых эмульсий, включающий процессы начальной центробежной и последующей сепарации с движением предварительно разделенных жидкостей навстречу друг другу в вертикальном направлении, а затем - в противоположном направлении с отводом фракции, обогащенной легкими компонентами, вверх, а фракции с тяжелыми компонентами - вниз, отличающийся тем, что процесс первой ступени центробежной сепарации осуществляют при движении жидкостей снизу вверх, производят вынужденное инвертирование фракции с тяжелыми компонентами от периферии к центру, а фракции с легкими компонентами - от центра на периферию вращения, и выполняют вторую ступень центробежной сепарации по крайней мере во втором спиральном канале без вынужденного инвертирования, отводят выделенную газовую составляющую, при этом последующие ступени сепарации осуществляют в поле гравитационных центростремительных сил при движении жидкостей по траектории, включающей и поперечное движение вокруг последовательности цилиндрических тел при продвижении обеих жидкостей от периферии к центру и отводят выделенную газовую составляющую.

2. Устройство для разделения неустойчивых эмульсий, включающее центробежный сепаратор и гравитационный сепаратор с перегородками, обеспечивающие продвижение жидкостей навстречу друг другу в вертикальном и горизонтальном направлении, отличающееся тем, что центробежный сепаратор выполнен из последовательности соединенных змеевиков, разделенных, кроме последнего, инверторами, и включает элемент вывода газовой составляющей, при этом в устройство, введен также гравитационно-центростремительный сепаратор, выполненный в виде последовательности осесимметричных цилиндров с выполненными в них отверстиями, обеспечивающими продвижение жидкостей вокруг цилиндров, а в цилиндрических зазорах - продвижение фракций навстречу и противоположно при течении от периферии к центру.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2