СПОСОБ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ И ОБЕССОЛИВАНИЯ НЕФТИ Российский патент 1997 года по МПК C10G33/00 B01D17/04 

Изобретение относится к способам обезвоживания и обессоливания нефти и может применяться при комплексной подготовке нефти в промысловых условиях и на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Известен способ обезвоживания и обессоливания нефти, включающий гравитационный отстой нефти в разделительных камерах, горизонтальные размеры которых превышают вертикальные, при котором производят периодическую подачу нефти по меньшей мене в одну из разделительных камер, при которой происходит вытеснение из камер эквивалентного количества отделившейся от нефти воды; при прекращении подачи нефти в разделительные камеры из них осуществляют отбор только обезвоженной нефти путем замещения ее водой при рециркуляции в камеру соответствующего количества последней. При этом нефть подают в количестве меньшем, чем объем камеры и с температурой выше температуры жидкости, находящейся в камерах [1]
Недостаток известного способа длительность обезвоживания и обессоливания нефти.

Длительность процесса обусловлена тем, что скорость осаждения мелких капель дисперсной водной фазы в нефти под воздействием сил гравитации мала, поэтому применение известного способа при подготовке нефти оказывается малоэффективным.

Наиболее близким к изобретению является способ обезвоживания и обессоливания нефти, включающий пропускание нефти по вертикальным каналам с последующим ее отстоем [2]
Недостаток известного способа длительность процесса обезвоживания и обессоливания нефти.

Нефть пропускают через каналы с целью интенсифицировать укрупнение капель воды в пристенном слое потока, чтобы на последующем этапе осуществления известного способа гравитационного отстоя нефти эффективно происходило ее разделение на фазы. Однако, эффективность укрупнения водных капель в пристенном слое потока под действием гидродинамики потока в каналах низка. В результате нефть, пропущенная через каналы, характеризуются наличием большого количества неукрупнившихся капель воды. Скорость же осаждения мелких капель в нефти под воздействием сил гравитации мала. Поэтому процесс обезвоживания и обессоливания нефти с применением известного способа длителен.

Целью изобретения является повышение эффективности процесса обезвоживания и обессоливания нефти путем уменьшения времени его осуществления.

Цель достигается тем, что в способе обезвоживания и обессоливания нефти путем пропускания нефти через каналы с последующим отстоем, нефть подвергают гидродинамическому возмущению, пропуская ее через гидрофобные каналы и разделяя при этом порциями воды на чередующиеся вдоль каналов слои путем добавления в начальный участок каналов порций воды. При этом в случае электрообработки нефти, гидродинамическое возмущение потока осуществляют с использованием гидрофобных каналов, выполненных из диэлектрика.

Сопоставительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом [2] показывает на наличие в первом признаков, которые отсутствуют в известном, следовательно, предлагаемое техническое решение отвечает критерию "новизна". Сравнение известного технического решения [1] с предлагаемым по признакам, отличающим предлагаемое изобретение от прототипа [2] показывает на отсутствие общих для обоих решений признаков. Поэтому предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия". Перейдем к обоснованию достижения положительного эффекта с применением предлагаемого технического решения.

При движении общего водонефтяного потока в гидрофобных каналах 1, представляющего собой чередующиеся между собой порции воды 2 и слои 3 нефтяной эмульсии (фиг. 1), происходит гидродинамическое возмущение эмульсии в каналах 1: в силу различного коэффициента трения эмульсионного слоя 3 по стенке (образующая ОО) каналов 1 и по поверхности 4 порций 2 воды в слоях 3 эмульсии возникают симметричные относительно центральной оси симметрии АА каналов 1 кольцевые (циркуляционные вихревые) токи жидкости 5 (гидрофобность каналов 1 препятствует растеканию порций 2 воды вдоль каналов 1 и тем способствует разделению эмульсии в каналах 1 на участки 3 и возникновению токов 5). При этом в силу того, что коэффициент трения эмульсии по водной поверхности 4 практически равен нулю (водная поверхность 4 гладкая), скорость циркуляционных токов 5 оказывается сравнимой со скоростью движения потока в каналах 1. В результате под воздействием циркуляционных токов 5 гораздо быстрее, чем под воздействием гравитационных или электрических сил, осуществляется перенос большого количества капель дисперсной водной фазы эмульсионных слоев 3 к водной поверхности 4 порций 2 и тем обеспечивается одновременный их контакт с этой поверхностью, или поверхность 4 имеет большую площадь. При этом циркуляционные вихревые токи 5 способствуют также и активному сближению между собой капель дисперсной водной фазы эмульсии. Благодаря этим факторам при гидродинамическом возмущении нефтяной эмульсии в каналах 1 ускоряются процессы укрупнения между собой капель дисперсной водной фазы эмульсионных слоев 3 (в результате их слияния) и их перехода в раздробленную на порции 2 сплошную водную фазу (также в результате их слияния с порциями 2) под воздействием сил Ван-дер-Ваальса или, если на эмульсию в каналах 1 воздействуют электрическим полем, то под воздействием электрических сил. При этом, в случае электрообработки, для равномерного распределения электроэнергии на эмульсии необходимо применять диэлектрические каналы 1 (т.е. каналы 1 должны обладать как гидрофобными, так и диэлектрическими свойствами).

Таким образом, нефтяная эмульсия, подвергнутая гидродинамическому возмущению в каналах 1 вышеописанным образом, становится менее обводненной (в результате перехода части водных капель эмульсии в раздробленную на порции 2 сплошную водную фазу) и характеризуется образованием в ней более крупных капель дисперсной водной фазы по сравнению с каплями дисперсной водной фазы нефтяной эмульсии, прошедшей обработку по способу прототипу [2] Это обеспечивает более быстрое обезвоживание и обессоливание нефтяной эмульсии по предлагаемому способу, чем по способу прототипу [2] при осуществлении последующей (последней) операции гравитационного отстоя эмульсии.

Осуществление предлагаемого способа поясняется с помощью лабораторного устройства, представленного на фиг.2 (осуществление предлагаемого способа в промысловых условиях возможно, например, на устройстве [3] которое включает корпус с входным и выходным патрубками, коаксиальные внешний и внутренний электроды, разделенные перфорированной диэлектрической перегородкой).

Устройство включает совокупность одного или более вертикально расположенных каналов 1, верхняя часть которых соединена через дозаторы 6 с трубчатыми распределителями 7 и 8 нефтяной эмульсии и воды соответственно, а нижняя часть с приемником 9; распределители 7 и 8 соединены с дозаторами 6 при помощи трубок 10 и 11 соответственно.

Распределители 7 и 8 служат для подачи через дозаторы 6 в каналы 1 соответственно нефтяной эмульсии и воды. Дозаторы 6 представляют собой цилиндрическую емкость и предназначены для добавления в начальный участок 12 каналов 1 воды (поступающей в дозаторы 6 через патрубки 11 распределителя 8) порциями 2, разделяющими поток нефтяной эмульсии в каналах 1 на слои 3 - добавление происходит за счет работы сил поверхностного натяжения границы раздела фаз 13 нефть-вода, образуемой в дозаторах 6 под действием сил гравитации и в силу разности плотностей нефтяной эмульсии и воды. Каналы 1 выполняются из гидрофобного и диэлектрического материала оргстекла, чтобы обработку нефтяной эмульсии в них можно было проводить как в отсутствии, так и при наличии электрического поля. При электрообработке эмульсии одним из электродов служит система элементов 8-11-6 (т. е. распределитель 8, патрубки 11 и дозаторы 6), другим электродом элемент 9 (приемник водонефтяного потока); для этого указанная система элементов 8-11-6 и 9 выполняется из металла. Приемник 9 объединяет водонефтяные потоки, поступающие в приемник 9 по каналам 1.

Устройство, реализующее способ, работает следующим образом.

Через распределитель 7 в дозаторы 6 с постоянным расходом подают нефтяную эмульсию, которая далее поступает в каналы 1. Одновременно с подачей в дозаторы 6 нефтяной эмульсии (по распределителю 7) в них по распределителю 8 с постоянным расходом подают воду (например, водопроводную). Под действием силы гравитации и в силу разности плотностей этих жидкостей вода располагается в нижней части дозаторов 6, а нефтяная эмульсия в верхней части. В результате в дозаторах 6 образуется горизонтальная граница раздела фаз 13 нефть-вода. При этом одновременно с выводом из дозаторов 6 нефтяной эмульсии через начальный участок 12 каналов 1 (фиг.2 и 3) в дозаторах 6 происходит накопление воды (ибо уровень воды 13, т. е. граница раздела фаз 13 нефть-вода, расположен выше горизонтального среза 14 каналов 1 и поэтому вода при поступлении в дозаторы 6 не выводится из них, т. е. накапливается). Уровень воды 13 поднимается, при этом происходит вытеснение нефтяной эмульсии из дозаторов 6 накапливающийся в них водой. Когда сил поверхностного натяжения этой поверхности оказывается недостаточно, чтобы она смыкалась по горизонтальному срезу 14 каналов 1 (фиг. 3) она располагается выше горизонтального среза 14 каналов 1 (фиг.4). При этом происходит смена фазы поступающей в начальный участок 12 каналов 1 жидкости - вместо нефтяной эмульсии в каналы 1 начинает поступать вода. Теперь уже вода начинает вытесняться из дозаторов 6 поступающей в них по распределителю 7 нефтяной эмульсией (либо из дозаторов 6 через начальный участок 12 каналов 1 выводится только вода). Уровень воды 13 при этом падает и в момент, когда он сравняется с горизонтальным срезом 14 каналов 1, он смыкается по нему (фиг. 3) и поступление воды в начальный участок 12 каналов 1 прекращается. При этом в начальный участок 12 каналов 1 вновь начинает поступать нефтяная эмульсия (фиг. 3), а уровень воды 13 снова начинает повышаться (ибо поверхность 13 нефть-вода, смыкаясь по горизонтальному срезу 14 каналов 1 (фиг. 3), перекрывает поступление воды в каналы 1 из дозаторов 6). Описанный выше процесс смены положения уровня 13 воды относительно горизонтального среза 14 каналов 1 (фиг. 3 и 4) и смена при этом поступающей в начальный участок 12 каналов 1 фазы жидкости повторяется. Таким образом, за счет работы сил поверхностного натяжения границы раздела фаз 13 нефть-вода происходит добавление воды в начальный участок 12 каналов 1 порциями 2, которые разделяют нефтяную эмульсию на чередующиеся вдоль каналов 1 слои 3 (иначе говоря, граница раздела фаз 13 нефть-вода в дозаторах 6 выполняет роль клапана, пропускающего воду в начальный участок 12 каналов 1 порциями 2; гидрофобность каналов 1 препятствует растеканию порций 2 воды вдоль каналов 1 и тем способствует разделению эмульсии на чередующиеся с порциями 2 воды вдоль каналов 1 слои 3). При этом диаметр каналов 1 выбирается (экспериментально) меньше критического, т. е. так, что сил поверхностного натяжения порций воды 2 оказывается достаточным, чтобы под действием их порции воды 2 плотно вписывались в поперечное сечение каналов 1, т. е. чтобы при этом эмульсионные слои 3 не разрушались (в эксперементах диаметр каналов 1 составлял 0,5 см). При движении водонефтяного потока вдоль каналов 1, когда порции воды 2 и слои нефтяной эмульсии 3 чередуются между собой вдоль каналов 1, происходит гидродинамическое возмущение эмульсии в слоях 3: вследствие различного коэффициент трения нефтяной эмульсии по стенкам (образующая ОО) каналов 1 и по поверхности 4 порций 2 воды на участках эмульсии 3 возникают циркуляционные токи жидкости 5 (фиг. 1). При этом в силу того, что коэффициент трения эмульсии по водной поверхности 4 равен нулю (водная поверхность 4 гладкая), скорость циркуляционных токов 5 оказывается сравнимой со скоростью движения потока вдоль каналов 1. В результате под воздействием вихревых токов 5 осуществляется активное сближение между собой водных капель эмульсии с последующих их слиянием, а также быстрый (быстрее, чем под воздействием гравитационных или электрических сил) перенос большого количества капель воды эмульсии к поверхности 4 порций 2 воды и их переход в порции 2 в результате их слияния; процессы слияния капель с порциями воды 2 и между собой происходят под воздействием сил Ван-дер-Ваальса (при отсутствии воздействия электрического поля на эмульсию) или под воздействием электрических сил (если на поток в каналах 1 воздействуют электрическим полем путем подачи напряжения на электроды, одним из которых служит система элементов 8-11-6, другим - приемник 9).

При работе устройства (фиг. 2) при постоянном суммарном расходе нефтяной эмульсии и воды (подаваемых на устройство (фиг.2) соответственно через распределители 7 и 8) можно регулировать размер эмульсионных слоев 3 с уменьшением относительной доли расхода нефтяной эмульсии размер эмульсионных слоев 3 (имеется ввиду длина эмульсионных слоев 3 вдоль каналов 1) также уменьшается. Само же суммарное значение расходов нефтяной эмульсии и воды при подаче их на устройство (фиг.2) соответственно через распределители 7 и 8 не превосходит экспериментально установленного значения 19 л/ч при ниже приводимых геометрических параметрах устройства (фиг.2) чтобы граница раздела фаз 13 нефть-вода (которая наподобие клапана пропускает воду из дозаторов 6 в начальный участок 12 каналов 1 порциями 2, разделяющими поток нефтяной эмульсии в каналах 1 на слои 3) не разрушалась. В противном вода из дозаторов 6 перестает поступать в начальный участок 12 каналов 1 в виде порций 2 ибо происходит разрушение границы раздела фаз 13 нефть-вода и потоки нефтяной эмульсии и воды в дозаторах 6 смешиваются. Как следствие, процесс осуществления предлагаемого способа на устройстве (фиг. 2) нарушается.

Параметры лабораторной установки (фиг. 2) были следующими: диаметр каналов 1 0,5 см; длина каналов 1 35 см; диаметр и высота дозаторов 6 2 см; величина зазора 15 между горизонтальным срезом 14 каналов 1 и верхним основанием 16 дозаторов 6 0,5 см; диаметр патрубков 10 и 11 0,8 см; количество каналов 1 два.

Заметим, что при реализации предлагаемого способа на устройстве (фиг. 2) добавление воды порциями 2 в начальный участок 12 каналов 1 происходит поочередно, т. е. в начальный участок 12 каналов 1 поступает либо только нефтяная эмульсия, либо только вода (фиг. 3 и 4). Но при реализации предлагаемого способа на других устройствах возможно также и параллельное поступление в начальный участок 12 каналов 1 порций воды и нефтяной эмульсии, например, когда порции воды 2 присутствуют в нефти в виде крупнодисперсной водной фазы, при этом размеры их сравнимы с диаметром каналов 1 (каналы малого диаметра используются в устройстве [3]). Параллельное поступление в начальный участок каналов 1 крупных капель воды и нефти будет обеспечено из-за сильного гидродинамического сжатия капель в поперечном сечении каналов 1 на начальном участке каналов (вследствие резкого перепада давления на входе в каналы 1), когда диаметр капель в поперечном сечении каналов 1 становится меньше диаметра каналов 1. После прохождения начального участка каналов 1 крупные капли воды оказываются подвержены гидродинамическому сжатию уже не в поперечном сечении каналов 1, а в их продольном направлении (вследствие наличия перепада давления вдоль каналов 1 на участке расположения крупных капель). В результате крупные капли сжимаются вдоль каналов 1, плотно вписываясь в их поперечном сечении, разделяя тем самым нефтяную эмульсию в каналах 1 на слои 3 (фиг. 1).

Отметим также, что выбор устройства в пользу показанного на фиг.2 (а не устройства [3]) для реализации предлагаемого способа, авторами сделан в виду наглядности проводимых экспериментов на первом. Предлагаемый способ реализуется на описанном устройстве (фиг. 2) следующим образом.

Нефтяную эмульсию пропускают через гидрофобные каналы 1 устройства (фиг. 2). Для этого на устройство с постоянным расходом подают по распределителю 7 нефтяную эмульсию, которая далее через дозаторы 6 поступает в каналы 1. Далее поток нефтяной эмульсии в гидрофобных каналах 1 разделяют при помощи порций воды 2 на чередующиеся вдоль каналов 1 слои 3 путем добавления в начальный участок 12 каналов 1 порций воды 2 добавление порций воды 2 осуществляется за счет работы сил поверхностного натяжения границы раздела фаз 13 нефть-вода, образуемой в дозаторах 6 при подаче в них через распределитель 8 с постоянным расходом воды (гидрофобность каналов 1 препятствует растеканию порций воды 2 вдоль каналов 1 и тем способствует разделению эмульсии в каналах 1 на слои 3). При этом каналы 1 заранее выбирают диаметром меньше критического, при которого происходит разрушение эмульсионных слоев 3 в каналах 1 чтобы сил поверхностного натяжения оболочки порций 2 оказывалось достаточным, чтобы под действием их порции воды 2 плотно вписывались в поперечное сечение каналов 1, т. е. чтобы при этом эмульсионные слои 3 в каналах 1 не разрушались (выбор диаметра каналов 1 производится экспериментально; в экспериментах диаметр каналов 1 был равен 0,5 см).

Осуществлением указанных двух операций нефтяную эмульсию в каналах 1 подвергают гидродинамическому возмущению: при пропускании нефтяной эмульсии через гидрофобные каналы 1 и разделении ее при этом порциями 2 воды на чередующиеся вдоль каналов 1 слои 3 в силу большого различия коэффициента трения эмульсионного слоя 3 по стенке (образующая ОО, фиг. 1) гидрофобные каналов 1 и по гладкой водной поверхности 4 порций воды 2, в эмульсионных слоях 3 возникают циркуляционные вихревые токи 5, (фиг. 1), скорость которых сравнима со скоростью потока вдоль каналов 1. Далее если эмульсию не подвергают электрообработке, водонефтяной поток из каналов 1 собирают в приемник 9 и направляют на гравитационный отстой (для окончательного разделения эмульсии на фазы) и отбор фаз или вдоль водонефтяного потока в каналах 1 воздействуют электрическим полем для этого каналы 1 выбраны диэлектрическими из гидрофобного материала, а электрообработку эмульсии в каналах 1 осуществляют путем подачи напряжения на электроды устройства, одним из которых служит система элементов 8-11-6, а другим приемник 9, после чего водонефтяной поток из каналов 1 также собирают в приемник 9 и отправляют на гравитационный отстой и отбор фаз. Гравитационный отстой эмульсии осуществляют с различными интервалами времени в диапазоне от 3 до 30 мин при температуре 18^oС. Остаточное содержание воды в нефти определяли на аппарате Дина-Старка, солей методом титрования. Время электрообработки нефтяной эмульсии определяется скорость потока. В качестве воды, добавляемой порциями 2 в начальный участок 12 каналов 1 для разделения нефтяной эмульсии в каналах 1 на чередующиеся слои 3, применяли водопроводную воду.

Соответствующие поставленным экспериментам значения других параметров перечисленных выше операций при осуществлении предлагаемого способа сведены в таблицу 1. При этом поскольку у описанного выше устройства на фиг. 2 неотъемлемым элементом в дозаторах 6 является граница раздела фаз 13 нефть-вода, а без этого гидродинамического элемента, выполняющего роль клапана при дозировке воды порциями 2 в начальный участок 12 каналов 1, как уже было сказано, невозможно осуществление предлагаемого способа на устройстве на фиг. 2, суммарное значение расходов нефтяной эмульсии и воды соответственно через распределители 7 и 8 устройства в поставленных экспериментах не превосходило 19 л/ч, ибо при большем расходе водонефтяного потока на устройстве (что установлено экспериментально) происходит разрушение границы раздела фаз 13 и в каналах 1 нарушается процесс разделения эмульсии на слои 3.

Для оценки и эффективности обезвоживания и обессоливания нефти по предлагаемому способу были проведены сравнительные эксперименты - обезвоживание и обессоливание нефти осуществляли с применением способа прототипа [2] При этом скорость эмульсии в каналах 1 и интенсивность воздействия на эмульсию электрическим полем в параллельных экспериментах поддерживали одинаковыми (для чего вместо воды через распределитель 8 с одинаковым расходом подавали нефтяную эмульсию, а напряжение на электродах 8-11-6 и 9 увеличивали пропорционально увеличению расхода эмульсии через каналы 1). Данные экспериментов сведены в таблицу.

В колонке 1 таблицы приведены номера опытов N 1 24 по оценке эффективности обезвоживания и обессоливания нефти с применением оцениваемых способов. В колонках 2 и 3 приводится обводненность и содержание солей в исходной нефтяной эмульсии; кинематическая вязкость безводной нефти при 20^oС составила 4 сП. В колонках 4 и 5 таблицы приведены расходы нефтяной эмульсии и воды соответственно через распределители 7 и 8 устройства при осуществлении предлагаемого способа (температура нефтяной эмульсии и воды составляла 18^oС). При этом при осуществлении предлагаемого способа изменение расходов нефтяной эмульсии на распределителе 7 и воды на распределителе 8 относительно друг друга осуществляли при постоянном суммарном их значении в опытах N 1 12 суммарный расход водонефтяного потока составлял 10 л/ч, а в опытах N 13 24 суммарный расход потока составил 16 л/ч. Изменение таким образом расходов нефтяной эмульсии и воды на распределителе 7 и 8 (т. е. когда сумма расходов нефтяной эмульсии и воды на распределителях 7 и 8 постоянна) позволяет изменять длину эмульсионных слоев 3 вдоль каналов 1 колонка 6 таблицы и тем самым получить полную картину процесса обезвоживания и обессоливания нефти по предлагаемому способу в зависимости от размеров (длины) эмульсионных слоев 3 в отсутствии или с применением электрического поля колонка 7 таблицы. В колонке 8 таблицы приведены значения расхода нефтяной эмульсии на устройстве на фиг. 2 перед ее обработкой по способу [2] (прототип).

По результатам сравнительных экспериментов опыты N 1 10 13 22 таблицы обезвоживание и обессоливание нефти с применением предлагаемого способа протекает в 1,5 2 раза быстрее и лучше (в первом случае колонки 9, 10 таблицы время процесса сокращается с 6 до 3 мин, во втором случае - колонки 11, 12, время процесса сокращается с 30 до 20 мин), нежели обезвоживание и обессоливание нефти с применением способа прототипа [2] В этих экспериментах длина эмульсионных слоев 3 вдоль каналов 1 (фиг. 2) меньше или не на много больше диаметра каналов 1. При большей длине эмульсионных слоев 3 вдоль каналов 1 когда их длина много больше диаметра каналов 1 (в опытах N 11, 12, 23 и 24 длина слоев 3 составляла 5 8 см, что более чем в 10 раз больше диаметра каналов 1), обезвоживание и обессоливание нефти по предлагаемому способу также протекает быстрее, но счет идет уже на десятые доли раз, а именно быстрее в 1,1 раза (ибо время процесса сокращается с 30 до 27 мин колонки 12 и 13 таблицы).

Таким образом, внедрение предлагаемого способа позволит повысить эффективность процесса обезвоживания и обессоливания нефти по сравнению со способом прототипом [2] путем сокращения времени осуществления этого процесса.

Использование: при обезвоживании и обессоливании нефти на нефтепромыслах и нефтеперерабатывающих заводах. Нефть подвергают гидродинамическому возмущению, пропуская ее через каналы, выполненные из гидрофобного материала, разделяя ее при этом порциями воды на чередующих вдоль каналов слои путем периодического добавления в начальный участок каналов порцию воды, и далее отстаивают. 1 з. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ обезвоживания и обессоливания нефти путем пропускания через каналы с последующим отстоем, отличающийся тем, что нефть подвергают гидродинамическому возмущению, пропуская ее через каналы, выполненные из гидрофобного материала, разделяя ее при этом порциями воды на чередующиеся вдоль каналов слои путем периодического добавления в начальный участок каналов порций воды. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пропускание нефти через каналы осуществляют в электрическом поле с использованием каналов, выполненных из диэлектрика.