ГАЗООТДЕЛИТЕЛЬ Российский патент 1995 года по МПК B01D19/00 

Изобретение относится к сепарации газожидкостных систем и может быть использовано в нефтяной промышленности на концевых сепарационных установках, а также в других отраслях промышленности, связанных с процессами десорбции из жидкости растворимых газов.

Для качественной сепарации газожидкостной смеси на концевых сепарационных установках процесс осуществляют с применением технологических и технических методов воздействия. К технологическим методам воздействия можно отнести нагрев, снижение давления (горяче-вакуумная сепарация), подачу газа с первой, предыдущей ступени сепарации, постороннего источника (например, из сборного газопровода) в сепарационную емкость или в подводящий трубопровод в начале вертикального участка.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является газоотделитель, содержащий корпус с патрубками для ввода и вывода газожидкостной смеси и барботер [1]
При вводе барботируемого газа на начальном участке вертикального трубопровода имеет место значительное для данного процесса избыточное давление, которое складывается из гидростатического давления газоводонефтяного столба, гидравлических сопротивлений двухфазного потока и давления в газовой зоне сепаратора. Повышение же точки ввода газа уменьшит время его контакта с нефтью. Известно, что продукция скважин, поступающая на концевую сепарационную установку, представляет собой газоводонефтяную смесь с содержанием воды, достигающим 70% и выше, и с объемом свободного газа 50-80% Поэтому содержание нефти в потоке может составлять величину порядка 10-20% от общего объема продукции скважин. А это означает, что из всего объема барботируемого газа в нефтяной среде будет диспергировано только 10-20% при повышенном давлении. В вертикальном участке подводящего трубопровода концевого сепаратора, как правило, устанавливается снарядный режим течения, при котором размер пузырей сравнивается с радиусом поперечного сечения трубы. Поэтому диспергированные пузыри барботируемого газа вскоре сливаются с большими пузырями более тяжелого нефтяного газа еще в зоне повышенного давления. При этом поверхность контакта газа с жидкостью и концентрация легких компонентов в газовых пузырях резко уменьшаются. Все зто приводит к снижению интенсивности массообменных процессов и ухудшению качества сепарации нефти.

Целью изобретения является интенсификация и повышение эффективности сепарационных процессов.

Цель достигается тем, что корпус газоотделителя размещен в горизонтальном положении и соединен с патрубком для вывода газожидкостной смеси через установленный в нижней части корпуса патрубок для отбора жидкости и установленный в верхней части корпуса патрубок для отбора газа, при этом патрубок для вывода газожидкостной смеси расположен таким образом, что его верхняя образующая находится не ниже верхней образующей корпуса газоотделителя, а система распределительных барботажных труб размещена в горизонтальной плоскости, проходящей через нижнюю сторону вписанного в поперечное сечение корпуса газоотделителя теоретического квадрата.

На фиг.1 схематически изображен предложенный газоотделитель, общий вид; на фиг.2 сечение А-А на фиг.1.

Газоотделитель состоит из горизонтально расположенного цилиндрического корпуса 1, снабженного патрубками для ввода газожидкостной смеси 2 и для вывода газожидкостной смеси 3. Патрубок 2 введен перфорированной частью внутрь корпуса 1. Внутри корпуса газоотделителя 1 в горизонтальной плоскости, проходящей через нижнюю сторону вписанного в поперечное сечение корпуса теоретического квадрата, установлен барботер 4, состоящий из системы распределительных барботажных труб 5, позволяющих осуществлять равномерное распределение пузырьков газа заданной дисперсности по объему жидкости. В нижней части корпуса газоотделителя установлен патрубок 6 для отбора жидкости, в верхней части установлен патрубок 7 для отбора газа, которые объединены в патрубок 3 для вывода газожидкостной смеси. Предпочтительно, чтобы патрубки 6 и 7 были установлены в зонах нижней и верхней образующих (соответственно) корпуса газоотделителя 1, а газовый патрубок 7 имел несколько продленный вертикальный участок (на 2-4 диаметра). Патрубок 3 для вывода газожидкостной смеси расположен в верхней части газоотделителя таким образом, чтобы его верхняя образующая находилась не ниже верхней образующей корпуса газоотделителя 1. Газоотделитель установлен на опорах 8, предпочтительно не ниже высоты уровня жидкости в концевом газожидкостном сепараторе. Объем газоотделителя ориентировочно на два порядка меньше объема газожидкостного сепаратора. Газоотделитель является дополнительным элементом в подводящем трубопроводе концевого сепаратора.

Газоотделитель работает следующим образом. Газожидкостная смесь из трубопровода через патрубок 2 поступает в корпус газоотделителя 1. При снарядной структуре потока в подводящем трубопроводе в системе могут возникать гидравлические удары, поэтому при входе в корпус газоотделителя крупные жидкостные и газовые пробки дробятся перфорированным патрубком на мелкие струи, которые достаточно равномерно объемно рассеиваются в начальном участке корпуса. В корпусе газоотделителя газоводонефтяная смесь под действием гравитационных сил распределяется в трех зонах: верхней, средней и нижней. При этом верхнюю зону занимает газ, среднюю нефть с остаточным содержанием заэмульгированной воды и нижнюю вода (при предварительном введении в водонефтяную смесь деэмульгатора нефть и вода расслаиваются достаточно эффективно). Такая расслоенная система медленно, без ощутимых гидравлических возмущений, перемещается вдоль корпуса газоотделителя. Ввиду того, что плотность и вязкость нефти на несколько порядков выше плотности и вязкости газа и вязкость нефти на 1-3 порядка выше вязкости воды, средняя скорость течения нефти по трубе будет намного ниже средней скорости течения газа и воды при их совместном расслоенном перемещении. Поэтому при объемной суммарной производительности газоотделителя по газу и воде, превышающей объемную производительность по нефти, нефть может занимать основной объем корпуса газоотделителя. Но для обеспечения преимущественного заполнения корпуса газоотделителя нефтью должны быть созданы условия, определяющие задаваемое распределение газа, нефти и воды по сечению (объему) корпуса газоотделителя. Послойное распределение газа, нефти и воды в корпусе газоотделителя, при котором нефть будет занимать основной объем, в том числе и при низкой производительности по нефти по отношению к производительности по воде и газу, позволит проводить процесс барботажа наиболее эффективно, так как пузырьки барботажного газа будут распределяться преимущественно по объему нефти. Для обеспечения требуемой структуры газоводонефтяного потока в корпусе газоотделителя жидкость и газ отбирают из корпуса раздельно через патрубки 6 и 7. Нефть и воду отбирают через патрубок 6, установленный в нижней части корпуса газоотделителя 1. Ввиду того, что вода обладает большей плотностью и значительно меньшей вязкостью по отношению к нефти, она займет нижнюю зону корпуса и будет перемещаться с более высокой средней скоростью, чем нефть. Это обеспечит перемещение воды вдоль корпуса газоотделителя 1 к патрубку 6 тонким слоем. В конце корпуса газоотделителя 1 нефть, смешиваясь с подстилающей водой, будет также поступать в патрубок 6. Газ отбирают через патрубок 7, установленный в верхней части корпуса газоотделителя 1. Ввиду того, что газ обладает значительно меньшей плотностью и вязкостью по отношению к нефти, он займет верхнюю зону корпуса и будет перемещаться с более высокой средней скоростью, чем нефть. Это обеспечит перемещение газа вдоль корпуса газоотделителя к патрубку 7 тонким слоем. Несколько продленный вертикальный участок на патрубке 7 позволит предотвратить переток через него части жидкости. Жидкостный и газовый потоки, выведенные из корпуса газоотделителя, объединяют в общий поток в патрубке 3 для вывода газожидкостной смеси. Расположение патрубка 3 не ниже корпуса газоотделителя 1 (по верхним образующим) позволит поддерживать в корпусе 1 уровень жидкости не ниже уровня жидкости в патрубке 3 и тем самым обеспечивать незначительную площадь сечения корпуса барботера, занимаемую газом, по крайней мере в несколько раз ниже, чем жидкостью. Таким образом, предложенная схема расположения патрубков для вывода газожидкостного потока из корпуса газоотделителя позволит организовать распределение газа, нефти и воды по поперечному сечению (объему) корпуса газоотделителя таким образом, что основной объем в нем будет занимать нефть, по крайней мере в несколько раз больший, чем газ и вода, что обеспечит наиболее эффективный барботаж нефти. Барботажный газ подают в газоотделитель с предыдущей ступени сепарации или постороннего источника через барботер 4. Барботер состоит из системы распределительных барботажных труб 5, через которые барботируемый газ поступает в нефтяную зону в требуемом технологическим процессом количестве, заданном условиями барботажа дисперсности при равномерном распределении пузырьков газа по объему нефти. По мере движения газоводонефтяной системы вдоль корпуса газоотделителя нефть многократно обрабатывается диспергированным барботируемым газом по всей длине корпуса газоотделителя. Барботер может работать в широком диапазоне производительности при одинаковой дисперсности газовых пузырьков без создания избыточного давления в газовой зоне барботера при высокой однородности распределения газовых пузырьков в объеме жидкости. Заданный уровень диспергирования газа приводит к существенному увеличению поверхности контакта "газ-нефть", в результате чего происходит интенсивное выделение газа из нефти. Длительность или кратность обработки нефти пузырьками барботируемого газа может регулироваться скоростью нефтяного потока, длиной корпуса газоотделителя и количеством отверстий в системе распределительных труб, а также их расположением. Размещение распределительных барботажных труб 5 в плоскости нижней стороны вписанного в поперечное сечение корпуса газоотделителя 1 теоретического квадрата позволит охватить барботируемым газом наибольший объем нефти, так как квадрат занимает наибольшую площадь круга по отношению к другим вписанным в окружность прямоугольникам с иным соотношением сторон, к тому же нижний сегмент, отсекаемый стороной квадрата, в основном занимает вода, которая в большинстве случаев не нуждается в обработке барботируемым газом. Следовательно, предлагаемое размещение распределительных барботажных труб в корпусе газоотделителя позволит обеспечить наиболее полный охват объема нефти в газоотделителе барботируемым газом и добиться наиболее полного и эффективного его использования в технологическом процессе.

Изучение эффективности работы газоотделителя проводилось на лабораторной модели. Корпус газоотделителя был изготовлен из стеклянной трубы диаметром 37 мм и длиной 400 мм. Это давало возможность осуществлять визуальное наблюдение за процессом и обеспечивать контроль за объемами, занимаемыми модельными жидкостями и газом в корпусе газоотделителя. При проведении экспериментов в качестве нефти использовалось дизтопливо, в качестве пластовой воды водопроводная вода, в качестве углеводородного газа атмосферный воздух. Производительность по дизтопливу и воде контролиpовалась объемным методом с помощью мерных сосудов, по воздуху по газовому счетчику. В процессе проведения исследований отношение производительности по воде к производительности по дизтопливу менялось от 0,3 до 2,7, отношение производительности по газу к производительности по дизтопливу от 2,3 до 7,0 (во всех случаях учитывалась объемная производительность). В результате проведенного анализа полученных результатов было установлено, что отношение объема, занимаемого дизтопливом в корпусе модели газоотделителя, к суммарному объему воды и газа менялось от 5,7 до 3,1, т.е. основной объем занимало дизтопливо. Если учесть, что дизтопливо это относительно маловязкая жидкость (до 5˙10^-6 м²/с при температуре исследований), соответствующая по вязкости самым маловязким нефтям, то следует ожидать, что для подавляющего большинства нефтей это отношение возрастает. При различных режимах моделирования процесса граница раздела "дизтопливо-вода" колебалась около нижней стороны вписанного в поперечное сечение модели барботера теоретического квадрата. На лабораторной установке были смоделированы условия, отвечающие условиям на нефтепромысловых объектах.

Особенности конструкции газоотделителя выгодно отличают его от указанного прототипа. Размещение корпуса газоотделителя в горизонтальном положении позволяет установить его не ниже высоты уровня жидкости в концевом газожидкостном сепараторе и значительно снизить давление в барботажном слое аппарата до уровня давления в газовой зоне сепаратора (ориентировочно на порядок). Предложенная система расположения патрубков для отбора жидкости, газа и газожидкостной смеси обеспечивает использование барботируемого газа на 80-90% на создание барботажного слоя непосредственно в нефтяной среде, при этом объеме корпуса газоотделителя, занимаемый водой и газом, составляет незначительную величину порядка 10-20% от общего объема при их высоком расходном содержании. Размещение системы распределительных барботажных труб в горизонтальной плоскости, проходящей через нижнюю сторону вписанного в поперечное сечение корпуса газоотделителя теоретического квадрата, обеспечивает наиболее полный охват нефти барботируемым газом в объеме корпуса газоотделителя. При этом кратность обработки одного и того же объема нефти, перемещающегося по длине барботера, может быть задана в соответствии с требованиями, предъявляемыми к качеству сепарации. Вместе с тем барботируемый газ используется наиболее эффективно, так как процесс десорбции из жидкости растворенного газа осуществляется без создания избыточного давления в газовой зоне барботера и барботажном слое при задаваемой дисперсности и высокой однородности газовых пузырьков во всем объеме нефти. Газоотделитель может работать в широком диапазоне производительности и соотношений нефти, воды и газа при сохранении высокого уровня качества сепарации. Ввиду перевода потока в горизонтальное направление отпадает необходимость и в применении устройств, способствующих уменьшению продольного перемешивания. Важно, что аппарат работает в режиме саморегулирования в части оптимального послойного распределения газа, нефти и воды. Таким образом, предлагаемая конструкция газоотделителя проста в изготовлении и эксплуатации, не требует существенных капитальных затрат при выполнении и монтаже (монтируется на одном постаменте с концевой ступенью сепарации), технологична, позволяет значительно сократить затраты газа на процесс (в 3-5 раз), интенсифицировать и повысить эффективность сепарационных процессов, получить требуемое качество сепарации нефти.

Сущность изобретения: изобретение относится к сепарации газожидкостных систем и может быть использовано в нефтяной промышленности на концевых сепарационных установках, а также в других областях промышленности, связанных с процессами десорбции из жидкости растворенных газов. Целью изобретения является интенсификация и повышение эффективности сепарационных процессов. С этой целью корпус газоотделителя размещен в горизонтальном положении и соединен с патрубком для вывода газожидкостной смеси через установленный в нижней части корпуса патрубок для отбора жидкости и установленный в верхней части корпуса патрубок для обора газа. Патрубок для вывода газожидкостной смеси расположен таким образом, что его верхняя образующая находится не ниже верхней образующей корпуса газоотделителя. Система распределительных барботажных труб размещена в горизонтальной плоскости корпуса, проходящей через нижнюю сторону вписанного в поперечное сечение корпуса газоотделителя теоретического квадрата. 2 ил.

ГАЗООТДЕЛИТЕЛЬ, содержащий корпус с патрубками для ввода и вывода газожидкостной смеси и барботер, отличающийся тем, что корпус газоотделителя размещен горизонтально, снабжен патрубком отбора жидкости в нижней части и патрубком отбора газа в верхней части, причем патрубки отбора жидкости и газа соединены с патрубком вывода газожидкостной смеси, верхняя образующая которого расположена не ниже верхней образующей корпуса газоотделителя, а барботер размещен в горизонтальной плоскости, проходящей через нижнюю сторону вписанного в поперечное сечение корпуса квадрата, и выполнен в виде системы труб.