Способ и устройство для разделения нефти и воды при их добыче из подземных или морских месторождений
Изобретение относится к области эксплуатации месторождений и, в частности, к разделению текучей среды - нефти, газа и воды в связи с их добычей из месторождений, находящихся под поверхностью земли или морским дном. Обеспечивает повышение эффективности разделения текучей среды. По изобретению смесь нефти и воды транспортируют по подводящему трубопроводу или транспортному трубопроводу к сепаратору с трубчатым корпусом в виде резервуара для гравитационного разделения. Разделенные компоненты - нефть и воду отводят из сепаратора раздельно через отводящие трубопроводы. При этом смесь нефти и воды выше по ее потоку от сепаратора подвергают воздействию сдвиговых усилий с созданием в этой смеси касательных напряжений, причем таких, чтобы капли в смеси дробились до настолько малых размеров, что изменялась бы и поверхность раздела нефти и воды. Это производят таким образом, чтобы упомянутая поверхность раздела не "загрязнялась" поверхностно-активными веществами. Для этого выше по потоку от сепаратора в транспортном трубопроводе устанавливают вентиль, имеющий острые кромки и обеспечивающий необходимый перепад давлений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу и устройству для разделения текучей среды, например для разделения нефти и воды в связи с добычей текучей среды такого состава из месторождений, находящихся под поверхностью земли или морского дна, в частности к устройству, содержащему сепаратор с трубчатым корпусом, напорный резервуар или тому подобное средство.
Уровень техники
В заявке на выдачу патента Норвегии 20016216 от 26.06.2003, поданной заявителем, описаны известные из уровня техники сепараторы для разделения нефти, воды и/или газа, поступающих из скважин, на дне моря или на поверхности, на платформе или тому подобных сооружениях для извлечения текучей среды, где используют различные технические решения, относящиеся к установкам, включающим комбинированные устройства, трубчатые сепараторы и другое оборудование для разделения фаз, которые способствуют успешному развитию технологии разделения текучих сред, в особенности разделения нефти и воды.
В процессе испытаний, проводимых в связи с практической реализацией вышеупомянутых патентуемых технических решений, установлено в том числе (как более подробно будет объяснено ниже), что в определенных случаях можно улучшить разделение нефти и воды путем добавления воды в текучую среду, состоящую из нефти и воды, перед их разделением. Более того, выясняется, что за счет действия на текучую среду усилий сдвига (касательных напряжений), перед ее разделением на фазы, можно достигнуть более быстрого инвертирования фаз, т.е. более быстрого перехода от исходного состояния текучей среды, представляющей собой смесь, образованную из воды, диспергированной в нефтяной фазе, к раздельно текущим слоям воды и нефти.
Раскрытие изобретения
В соответствии с изобретением предложен способ разделения нефти и воды при их добыче из подземных или морских месторождений, в соответствии с которым смесь нефти и воды транспортируют по подводящему трубопроводу или транспортному трубопроводу к сепаратору с трубчатым корпусом в виде резервуара для гравитационного разделения, а разделенные компоненты - нефть и воду отводят из сепаратора раздельно через отводящие трубопроводы, при этом смесь нефти и воды выше по ее потоку от сепаратора подвергают воздействию сдвиговых усилий с созданием в этой смеси касательных напряжений, причем таких, чтобы капли в смеси дробились до настолько малых размеров, что изменялась бы и поверхность раздела нефти и воды, причем таким образом, чтобы она не "загрязнялась" поверхностно-активными веществами, для чего выше по потоку от сепаратора в транспортном трубопроводе устанавливают вентиль, имеющий острые кромки и обеспечивающий необходимый перепад давлений.
Предпочтительно выше вентиля по потоку смеси нефти и воды добавляют в упомянутую смесь воду через подводящий трубопровод.
Целесообразно до или после вентиля в смесь нефти и воды добавлять деэмульгатор для предотвращения повторного инвертирования фаз смеси с переходом ранее инвертированной смеси вновь к течению со сплошной нефтяной фазой.
Согласно изобретению устройство для разделения нефти и воды при их добыче из подземных или морских месторождений включает сепаратор, выполненный с трубчатым корпусом в виде резервуара для гравитационного разделения нефти и воды, транспортный трубопровод, подведенный к сепаратору, и трубопроводы для отведения от сепаратора разделенных компонентов - воды и нефти, при этом выше по потоку смеси нефти и воды от сепаратора в транспортном трубопроводе установлен вентиль, имеющий острые кромки и обеспечивающий перепад давлений, а смесь нефти и воды подвергают воздействию сдвиговых усилий с созданием в смеси касательных напряжений, причем таких, чтобы капли в смеси дробились до настолько малых размеров, что изменялась бы и поверхность раздела фаз смеси, причем таким образом, чтобы она не "загрязнялась" поверхностно-активными веществами.
Выше вентиля по потоку смеси нефти и воды может быть подсоединен трубопровод для добавления в упомянутую смесь воды.
Краткое описание чертежей
Более подробно настоящее изобретение будет раскрыто в нижеследующем описании с помощью примеров и со ссылкой на чертежи.
Фиг.1 - упрощенная схема оборудования, установленного вместе с трубопроводами для нефти и воды, которые объединяются с образованием одного-единственного трубопровода для текучей среды, где нефть смешивается с водой. Трубопроводы для текучей среды соединены с гравитационным сепаратором.
Фиг.2 - схема, в основном подобная изображенной на фиг.1, но отличающаяся тем, что выше по потоку от сепаратора установлено средство, создающее в текучей среде усилия сдвига, например подходящий вентиль или тому подобное средство.
Фиг.3 - диаграмма, характеризующая влияние рециркуляции воды.
Фиг.4 - диаграмма, характеризующая влияние рециркуляции воды при наличии стабилизатора инвертирования фаз, размещенного выше по потоку, и в отсутствие стабилизатора.
Осуществление изобретения
На указанной выше фиг.1 представлена упрощенная схема опытной установки, в которой нефть и воду пропускают через трубопроводы 2, 3, смешивают в смесителе 4 (которым может быть дроссельный вентиль или смесительная труба) и транспортируют далее, как единую текучую среду, к сепаратору 1, представляющему собой известный гравитационный сепаратор, выполненный в виде цилиндрического резервуара. Выше по потоку от сепаратора 1 подсоединен трубопровод для подвода воды.
Таким образом, в принципе можно улучшить разделение нефти и воды, содержащихся в текучей среде, путем добавления воды и увеличения тем самым водяной фракции, например, до 70-75%, и в соответствии с таким решением текучая среда должна содержать непрерывную (сплошную) водяную фазу.
Когда добавляемую воду вводили непосредственно в текучую среду, как это показано на чертеже, эксперименты показали, что достигаемый эффект был нестабильным и ненадежным, и в итоге положительный результат не всегда достигался.
Диаграмма (фиг.3) иллюстрирует влияние рециркуляции воды путем сравнения водяной фракции (объемной доли воды), содержащейся в нефти (в %) вне сепаратора, с водяной фракцией, содержащейся в нефти (в %) в сепараторе, до подмешивания воды, осуществляемого вплоть до достижения 75% водяной фракции.
Диаграмма показывает, что если исходный поток представляет собой поток с непрерывной нефтяной фазой (<=60% WC (WC=водяная фракция)), значительного разделения не достигается даже в том случае, когда воду добавляют до общей фракции воды, равной 75%. Если первоначальный поток является потоком со сплошной водяной фазой (WC>60%), разделение происходит быстро и эффективно, как это ожидается для систем, содержащих непрерывную водяную фазу. При первоначальной величине водяной фракции, составляющей 75%, текучая среда разделяется со снижением водяной фракции в выходящем потоке приблизительно до 2%. Все точки на диаграмме относятся к общей величине водяной фракции после добавления "рециркулирующей воды", равной 75%.
Когда транспортный трубопровод 4 выше по потоку от сепаратора 1 был снабжен средством (называемым в дальнейшем стабилизатором фазового инвертирования) в виде вентиля или тому подобного средства 6, как показано на фиг.2, которое создает в текучей среде сдвиговые усилия, эффект рециркулирующей воды на разделение нефти и воды, как оказалось, получается стабильным и надежным. Диаграмма 2 (фиг.4) отражает влияние рециркуляции воды путем сопоставления величины водяной фракции в нефти (в %) вне сепаратора, с величиной водяной фракции в нефти (в %) в сепараторе, при наличии и отсутствии стабилизатора 6 инвертирования жидкой фазы. Как показано на диаграмме, величина водяной фракции за пределами сепаратора, составляющая менее чем приблизительно 5%, была достигнута во всем интервале величин водяной фракции (в сепараторе), начиная от исходной текучей среды (от 15 до 75% WC).
Стабилизатор инвертирования фаз представляет собой средство, которое создает в текучей среде сдвиговые усилия. Наиболее важные критерии и функции этого средства следующие:
1. Усилия сдвига должны быть достаточно высокими для обеспечения дробления капель в подводимом потоке с образованием (мелких) капель, которые настолько малы, что поверхность раздела фаз существенным образом изменяется и при этом не "загрязняется" поверхностно-активными веществами, которые всегда имеются в системах с сырой нефтью. Измененная поверхность раздела фаз весьма нестабильна, и будет происходить усиленный, интенсивный процесс объединения капель, который приведет к инвертированию фаз.
2. При разрыве большой капли на небольшие капельки площадь поверхности раздела между нефтью и водой будет увеличиваться. Если такое дробление происходит по величине только до трети от первоначального диаметра, новые капли будут нестабильны и будет действовать "стабилизатор инвертирования фаз".
3. Типичные рабочие параметры потока будут приводить к дроблению первоначальных капель до размеров, составляющих примерно менее 10% от первоначального диаметра капель. Это стабилизирует процесс инвертирования фаз.
Самой простой практичной конструкцией "стабилизатора инвертирования фаз" является вентиль с острыми кромками (шаровой вентиль или тому подобное средство). Если средний размер капли в транспортном трубопроводе выше по потоку от "стабилизатора инвертирования фаз" составляет около 1000 мкм, существующий перепад давления на вентиле, составляющий примерно от 1 до 1,5 бар, будет более чем достаточным для стабильного инвертирования фаз.
Настоящее изобретение, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, не ограничено примерами, иллюстрируемыми на чертежах и описанными выше. Некоторые виды сырой нефти могут протекать, например, с непрерывной нефтяной фазой при содержании водяной фракции, составляющей 70-80% в процессе транспортирования сырой нефти по трубопроводам. Такие потоки могут быть также организованы с непрерывной водяной фазой с помощью "стабилизатора инвертирования фаз". Задача заключается в том, чтобы фракция воды в нефти было достаточно большой для того, чтобы при проведении инвертирования фаз текучая система оставалась со сплошной водяной фазой. Добавление деэмульгатора может предотвратить повторное инвертирование фаз с переходом ранее инвертированной текучей среды вновь к течению со сплошной нефтяной фазой.
1. Способ разделения нефти и воды при их добыче из подземных или морских месторождений, в соответствии с которым смесь нефти и воды транспортируют по подводящему трубопроводу или транспортному трубопроводу к сепаратору с трубчатым корпусом в виде резервуара для гравитационного разделения, а разделенные компоненты - нефть и воду отводят из сепаратора раздельно через отводящие трубопроводы, отличающийся тем, что смесь нефти и воды выше по ее потоку от сепаратора подвергают воздействию сдвиговых усилий с созданием в этой смеси касательных напряжений, причем таких, чтобы капли в смеси дробились до настолько малых размеров, что изменялась бы и поверхность раздела нефти и воды, причем таким образом, чтобы она не "загрязнялась" поверхностно-активными веществами, для чего выше по потоку от сепаратора в транспортном трубопроводе устанавливают вентиль, имеющий острые кромки и обеспечивающий необходимый перепад давлений.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что выше вентиля, по потоку смеси нефти и воды, добавляют в упомянутую смесь воду через подводящий трубопровод.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что до или после вентиля в смесь нефти и воды добавляют деэмульгатор для предотвращения повторного инвертирования фаз смеси с переходом ранее инвертированной смеси вновь к течению со сплошной нефтяной фазой.
4. Устройство для разделения нефти и воды при их добыче из подземных или морских месторождений, включающее сепаратор, выполненный с трубчатым корпусом в виде резервуара для гравитационного разделения нефти и воды, транспортный трубопровод, подведенный к сепаратору, и трубопроводы для отведения от сепаратора разделенных компонентов - воды и нефти, отличающееся тем, что выше по потоку смеси нефти и воды от сепаратора в транспортном трубопроводе установлен вентиль, имеющий острые кромки и обеспечивающий перепад давлений и воздействие сдвиговых усилий на смесь нефти и воды с созданием в смеси касательных напряжений, причем таких, чтобы капли в смеси дробились до настолько малых размеров, что изменялась бы и поверхность раздела фаз смеси, причем таким образом, чтобы она не "загрязнялась" поверхностно-активными веществами.
5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что выше вентиля, по потоку смеси нефти и воды, подсоединен трубопровод для добавления в упомянутую смесь воды.
