СПОСОБ САМОФЛОТАЦИОННОЙ ОЧИСТКИ ПЛАСТОВОЙ ВОДЫ И СРЕДСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК C02F1/40 C02F103/34 

1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к очистке нефтепромысловых пластовых вод, добываемых вместе с нефтью, отделяемых от нее в процессах от предварительного сброса на дожимных насосных станциях до окончательного обезвоживания на пунктах подготовки нефти. Особый интерес оно представляет для морских месторождений как обеспечивающее качество очистки, позволяющее сбрасывать очищенную воду в море.

Частично (с уменьшенной эффективностью) оно может применяться для очистки вод от газосодержащих нефтепродуктов и мехпримесей, удерживаемых ими, и в других областях техники.

2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известны способ очистки нефтепромысловых сточных вод и установка для его осуществления (Патент России №2179533, C 02 F 1/40 //С 02 F 1/40), включающий:

1) способ очистки нефтепромысловых сточных вод, включающий подачу исходной воды в отстойник восходящим потоком, отвод нефти, газа и очищенной воды, отличающийся тем, что исходную воду перед подачей в отстойник подвергают вакуумной обработке в дестабилизаторе в режиме

P_вх≥_{1,05(ρ /2)(α +ε вх)V2r}

P_вых≥_{0,95(ρ /2)(1-ε вых-d4r}

где P_вx - давление на входе в дестабилизатор;

Р_вых - давление на выходе из дестабилизатора;

ρ - плотность воды;

α _вх - коэффициент Кориолиса;

ε _вх - коэффициент гидравлического сопротивления входного участка;

V_r - скорость воды в горловине дестабилизатора;

ε _вых - коэффициент гидравлического сопротивления выходного участка;

d - диаметр горловины;

Д_вых - диаметр выхода из дестабилизатора;

а в отстойнике поддерживают давление, не превышающее давление насыщения воды газом перед подачей на очистку;

2) установку для очистки нефтепромысловых сточных вод, включающую горизонтальный отстойник, трубопроводы ввода сточной воды и вывода нефти, газа и очищенной воды, отличающуюся тем, что установка снабжена дестабилизатором, содержащим конфузор, горловину длиной не менее двух диаметров, диффузор, регулировочную иглу с приводом, причем конфузор сопряжен с горловиной радиусом не менее диаметра горловины, диффузор выполнен с переменной конусностью от 5 до 15° , а регулировочная игла с переменной конусностью от 20 до 8° , при этом отстойник снабжен перегородкой, выполненной с наклонным лотком в верхней части и разделяющей отстойник на две камеры - предварительную и основную, причем в предварительной камере установлена поперечная стенка.

При разработке заявки на указанное изобретение автор предполагал, что прочность газонасыщенной воды на разрыв близка к абсолютному нулю (см. Сиов Б.Н. Истечение жидкости через насадки в среды с противодавлением. - М.: Машиностроение, 1968, 140 с.- стр.88, 96). При этом из баланса энергии (уравнение Бернулли) в предположении его применимости вплоть до возникновения разрыва и с некоторым запасом следовали неравенства, вошедшие в формулу изобретения. Однако детальные промышленные испытания способа и установки по этому патенту в мае-июне 2001 года в ЦППН ТПП “Урайнефтегаз” показали, что это не так. Если при очистке воды, отстоявшейся в резервуарах, минимальное давление на входе в дестабилизатор, гарантирующее очистку, было 0,09 мПа, то при очистке воды без отстоя (транзитом через резервуар) уже 0,11 мПа, а при работе напрямую, без захождения в резервуар, оно поднялось до 0,21 мПа (как для чистой нефти), хотя из формулы следуют одинаковые давления.

В целом способ очистки показал исключительные возможности. При исходном содержании нефти в воде, поступающей на доочистку, до 50 мг/л, он очищает воду до остаточного содержания менее 1 мг/л. При работе напрямую (без захождения в резервуары, т.е без предварительной дегазации) независимо от степени начального загрязнения воды нефтью - 5-6 мг/л. Такая степень очистки доступна только центрифуге, имеющей стоимость, в десятки раз превышающую стоимость оборудования для предлагаемой технологии при ограниченном сроке службы. Одновременно испытания выявили ряд существенных недостатков построенного блока очистки воды, приведших к тому, что она так и не была введена в постоянную эксплуатацию. В частности, испытания показали нижеследующее.

2.1. При доочистке воды из резервуаров газосодержание воды оказалось аномально низким. В результате уже при избыточном давлении в отстойнике около 0,02 мПа возникала кавитация, ухудшающая качество очистки воды в 5-10 раз и даже больше. Последующее изучение схемы показало, что причиной аномальности являются регуляторы межфазного уровня в нефтяных отстойниках, работающих в режиме газовыделения уже при давлении на входе порядка 0,3-0,35 мПа (вдвое ниже, чем рекомендуемое по а.с.СССР №1502047, 1989 г.).

2.2. Пробы очищенной воды при работе напрямую (минуя резервуары) и при доочистке воды, предварительно отстоявшейся в резервуарах, не похожи друг на друга: первая имеет глинистый цвет и слабопрозрачна, вторая - прозрачная. Отстой глинистой воды в течение нескольких суток не изменяет цвет воды. Это свидетельствует об очистке нефти от глины при вакуумобработке. Поскольку отделяемая от воды нефть возвращается в голову процесса, вакуумобработка предотвращает накопление глины в нефтяных отстойниках, но порождает проблему очистки воды от коллоидной глины.

2.3. Технология помехонеустойчива. Любое нарушение (в частности, попадание недестабилизированной нефти в отстойник, выход уровня за границы лотка) вызывает многократное ухудшение качества очистки с последующей нормализацией по законам идеального разбавления (для снижения остаточного содержания нефтепродуктов в n раз необходимо, как минимум, время прохождения n объемов отстойника).

2.4. В отстойнике принятой конструкции практически невозможно гарантировать отсутствие застойных и водоворотных зон, в которых создается вероятность накопления загрязнений с последующим периодическим загрязнением и очищенной воды.

2.5. Жесткое ограничение уровня взлива в отстойнике накладывает ограничения как на подачу очищаемой воды, так и на откачку очищенной, что резко усложняет и удорожает общую схему блока очистки с насосами откачки в конце нее. Именно из-за отсутствия средств автоматики для обеспечения необходимых режимов установку после испытаний пришлось остановить: обслуживающий персонал не справился с ручным управлением, допустил прорыв нефти в водовод и выброс нефти через свечу рассеивания.

2.6. Зона эффективного регулирования дестабилизаторов оказалась незначительной. Кроме того, большая длина регулировочной пики вызывает вибрацию при повышенных давлениях на входе.

2.7. Неудачна конструкция слива уловленной нефти. Несмотря на наличие уловленной нефти на свободной поверхности в отстойнике, сливаемая нефть излишне обводнена.

Вышеизложенное потребовало пересмотра:

- сущности очистки (п.3.1.1), в частности режимов необходимой вакуумобработки (п.3.1.2), прототип - патент №2179533, п.1;

- п.2.3 и 2.4. - конструкции отстойников (п.3.3), прототип патент №2179533, п.2;

- п.2.5 и 2.6. - конструкции дестабилизатора (п.3.2.), прототип патент №2179533, п.2;

- п.2.5 - общей компоновки блока очистки воды, (п.3.1.3 (4), 3.3).

3. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

3.1. Способ самофлотационной очистки

3.1.1. Физическая сущность способа

Попытаемся найти объяснение зависимости необходимого давления и качества очистки от свойств очищаемой жидкости. При сохранении неразрывности жидкости справедливы зависимости гидравлики. Из уравнений Бернулли, составленных поочередно для участков “вход в дестабилизатор - выход из горловины - выход из дестабилизатора” с учетом неравномерности поля скоростей в горловине и пренебрегая кинетической энергией на входе и выходе из дестабилизатора можно получить

Здесь, как и на стр.1, ε - коэффициент гидравлического сопротивления участка, указываемого индексами: “ВХ” - вход, “Г” - горловина, “ВЫХ” - выход.

Рассмотрим случай постоянства давления на входе и уменьшающегося давления на выходе. В соответствии с (3.1.-1) при этом скорость в горловине возрастает, а с (3.1.-3) - давление в горловине падает, причем весьма интенсивно, т.к. α _г>ε _г. Но давление в жидкости не может уменьшаться бесконечно - где-то она вскипит, а перед этим из газонасыщенной жидкости начнет выделяться газ. Как только это произойдет, жидкость перестает быть сплошной средой, и уравнение (3.1. -1) становится неприменимым. Опыт показывает, что при дальнейшем снижении давления темп нарастания скорости быстро убывает до нуля, после чего расход жидкости через дестабилизатор сохраняется постоянным. Аналогичные процессы происходят и при повышении давления при неизменном противодавлении.

Возникший микропузырек газа называют зародышем. Считается, что судьба зародышей с размером меньше критического - исчезнуть, больше критического - расти. Количество вновь образующейся газовой фазы можно оценить из следующих соображений [Колесников П.М., Карпов А.А. Нестационарные двухфазные газожидкостные течения в каналах. - Минск: Наука и техника, 1986.-216 с., гл.I, n.1.1].

Радиус образующихся зародышей (в упомянутой книге зависимость 1.1)

Работа их образования (зависимость 1.4.)

а частота образования зародышей в единице объема жидкости (зависимость 1.15)

Здесь r_кр - радиус критического зародыша,

σ - поверхностное натяжение на границе жидкость - газ;

(Ps-Р) - пересыщение жидкости газом,

W_кp - работа образования критического зародыша;

J - частота образования зародышей в единице объема жидкости в единицу времени;

k - постоянная Больцмана;

Т - температура жидкости.

Размер образующихся зародышей (3.1.-5) и их количество (3.1.-7) позволяют определять интенсивность газовыделения в жидкости.

Очищаемая вода и микрокапли нефти, загрязняющие ее, прошли одинаковую предысторию, поэтому их пересыщение газом одинаково. Но поверхностное натяжение на границе вода-газ в 1,5-2 раза больше, чем на границе нефть-газ. Работа образования зародыша в нефти в несколько раз меньше, чем в воде. Это приводит к интенсивности зародышеобразования в микрокаплях нефти на несколько порядков выше, чем в газонасыщенной воде. Кроме того, газосодержание нефти в несколько раз больше, чем воды. С возникновением зародышей идут два процесса. С одной стороны, возникшие зародыши, занимая часть поперечного сечения канала постоянного сечения, провоцируют рост скорости, т.е. повышение кинетической энергии потока за счет снижения потенциальной энергии, т.е. давления. Это происходит, пока интенсивность сжатия потока образующейся газовой фазой не будет компенсирована расширением диффузорного канала и ростом давления за счет высвобождения первоначального давления в зародыше. В возникающем зародыше внутреннее давление, равное давлению насыщения, компенсируется поверхностным натяжением жидкости. С ростом зародышей за счет снижения сил поверхностного натяжения это давление начинает передаваться жидкости. В результате возможны случаи, когда вода так и не успевает вскипеть и когда из-за дальнейшего снижения давления вслед за нефтью вскипает и вода.

Визуальные наблюдения за пробами воды, прошедшей вакуумобработку, показали, что в процессе испытаний наблюдались оба эти случая: при малых степенях загрязнения воды нефтью вскипала и вода, при больших, по крайней мере, более 1 г/л, вода практически не успевала вскипеть. Именно поэтому происходила стабилизация степени очистки на уровне 5-6 мг/л. Также оказалось, что микрокапли нефти (“черные точки”) в процессе всплытия обгоняют пузырьки (“белые точки”). Так что в основе способа лежит не флотационный механизм, а самофлотационный, заключающийся в том, что любая микрокапля нефти, вскипая, увеличивается в объеме пропорционально газосодержанию без возрастания ее массы и поэтому всплывает в несколько раз быстрее. Нефть в очищаемой воде содержится в виде множества микрокапель разного размера. Размер капель соответствует какому-то распределению. При этом глубина очистки определяется минимальным размером капель, успевших всплыть и отделенных от воды в этом процессе. Взбухание капель в результате газовыделения ведет к углублению степени очистки воды.

Новый взгляд на природу очистки делает полезным применение предварительной вакуумобработки на входе в любые современные средства очистки воды, базирующиеся на седиментационном механизме разделения фаз или на безнапорной фильтрации. Главное, чтобы был обеспечен выход на поверхность взбухших микрокапель нефти и были эффективными меры предотвращения повторного загрязнения очищенной воды. При этом в той же гидродинамической обстановке обеспечен эффект углубления очистки, примерно пропорциональный газосодержанию микрокапель нефти (см. п.1 формулы изобретения).

Так что расслоение дестабилизированного потока можно произвести и в концевом делителе фаз. Для этого достаточно обеспечить скорость движения дестабилизированного потока менее 0,5 м/с (см. диссертацию на соискание ученой степени к.т.н. по специальности 051506 Махмудова Р.Х. “Технология сепарации продукции скважин с использованием эффекта предварительного расслоения и раздельного отбора фаз”) и время, необходимое для формирования придонного слоя очищенной воды.

Будучи без возмущений введенным в емкость такой поток легко разделится и задача сведется к спокойному отводу очищенной воды и накопленной нефти без их дополнительного перемешивания. При отводе воды через донный патрубок в конце емкости существует вероятность захвата загрязнений по линии тока вдоль ближайшего днища емкости. Последствия этого захвата можно устранить, если перед отводом воды установить две перегородки: одну с вырезанными сегментами сверху (для прохода газа) и снизу (для прохода воды) и вторую, приваренную к обечайке, с верхней кромкой на высоте, определяющей необходимый уровень в камере до перегородок. Эти перегородки разделят емкость на две секции - приемную и секцию доотстоя. Тогда захваченные загрязнения после поворота на 180° при подтекании под первую перегородку так и останутся вблизи стенки, т.е при переливе через вторую стенку окажутся в верхнем слое потока, и загрязнения после накопления могут быть без труда удалены. Для этого достаточно обеспечить секции средствами контроля и обновления поверхностного слоя (см. п.2 формулы изобретения).

3.1.2. Режим предварительной вакуумобработки

Нормальный режим работы дестабилизатора сопровождается громким треском разрываемой жидкости. При этом колебания противодавления не передаются на вход. Попытаемся сформулировать условия осуществления этого режима.

Любое проточное устройство имеет так называемую гидравлическую характеристику - график, отображающий зависимость перепада давления Р_вх - Р_вых от расхода или, учитывая взаимосвязь расхода и скорости, - от скорости в определенном сечении. На безразрывном автомодельном по вязкости жидкости режиме (на воде, даже загрязненной нефтью, это условие соблюдается) уравнение характеристики сопла представлено уравнением (3.1.-1), то есть характеристика сопла в безразрывной зоне - квадратичная парабола.

При наличии разрыва противодавление Р_вых перестает влиять на расход и последний становится зависящим на данной жидкости только от давления, т.е. характеристика сопла будет отображаться зависимостью

Но и при наличии разрыва внутри дестабилизатора начальный участок сечения до его возникновения остается безразрывным. Обозначим предельные параметры этого участка индексом “КР” и будем называть критическими. Тогда зависимость (3.1-8) можно получить из (3.1.-2) с учетом экспериментального факта, что критическим сечением является выход из горловины.

Безразрывная характеристика (3.1-1) в этих координатах запишется как

Поскольку коэффициент Кориолиса α _г учитывает погрешность замены среднего из квадратов квадратом среднего и поэтому всегда больше единицы, а коэффициенты гидравлического сопротивления сопла и его участков меньше единицы, то разрывная ветвь характеристики дестабилизатора ХР (фиг.1) гораздо круче безразрывной ветви ХБ. Поэтому всегда существует точка пересечения этих кривых, ниже которой разрывная ветвь при данном давлении выхода исчезает, переходя на безразрывную.

Координаты этой точки (обозначим их индексом *) можно определить как решение системы уравнений (3.1.-9) и (3.1.-10) при Р_вхр=Р_вх

В этой точке и ближайшей ее окрестности режим вскипания жидкости неустойчив. Опыт показывает, что необходимый для самофлотационной очистки режим достигается, когда давление на входе при неизменном давлении на выходе возрастет на какую-то сравнительно небольшую величину Δ Р, практически не зависящую от расхода через сопло (аналогично см. рис.34 на стр.53 книги В.Я. Карелина “Кавитационные явления в центробежных и осевых насосах”, М.: Машиностроение, 1975, 330 с). При этом: условие нормального протекания самофлотационной очистки запишется так:

Поскольку все входящие в формулу величины должны определяться экспериментально, сгруппируем их

Коэффициент не зависит от типа жидкости и может быть определен для любой конструкции сопла по одной экспериментальной точке на безразрывном режиме. Необходимо только экспериментальное определение расхода, давлений на входе, выходе и в горловине перед переходом последней в диффузор. При этом числитель В определяется из формулы (3.1.-2), а знаменатель из формулы (3.1. - 3). Коэффициент А зависит от многих факторов: давления насыщения воды газом, газосодержания и, увы, от режима работы дестабилизатора. Но в практике очистки воды давление на входе в сопло изменяется сравнительно в узких пределах и, ориентировочно, значение коэффициента А можно считать постоянным. Для его определения необходим эксперимент на работающем сопле с прикрытием выходной задвижки вплоть до ослабления треска разрываемой жидкости или вплоть до начала роста давления в горловине. Зафиксировав на этом режиме давление на входе и выходе, можно при известном значении коэффициента В определить значение коэффициента А. Знания расхода при этом не требуется.

Зависимость (3.1-14) - основополагающая для флотационной очистки. В частности, из нее следует, что при выполнении необходимого условия незахлопывания газовых пузырьков Р_вых<Р_s флотационная очистка возможна при любом давлении в аппарате, если обеспечить необходимое давление на входе, или при любом давлении на входе, если обеспечить необходимое давление на выходе.

При известной характеристике дестабилизатора ХР (фиг.1) можно без труда определить возможный диапазон производительности одного дестабилизатора, а умножив ее на число дестабилизаторов - возможный диапазон блока очистки (фиг.2).

Может быть полезной и другая зависимость. Поскольку разрывной режим может быть получен и при постоянстве давления на входе и снижении давления на выходе, после чего расход жидкости стабилизируется, то очевидно таким условием может служить зависимость, следующая из (3.1.-3):

Здесь Р_кр получается расчетом по (3.1.2) на разрывном режиме. Уверенно измерить ее невозможно, т.к. чувствительный элемент любого прибора для измерения давления связан с точкой замера через покоящуюся жидкость, длительное существование которой при Р_кр невозможно, а газ не может передавать давление меньше нуля.

Ограничения, накладываемые на режим, составляли первый пункт формулы изобретения.

3.1.3. Проблемы применения способа и их решения

Проанализируем экспериментальные факты, перечисленные в разделе 2. 3.1.3.1 (п.2.1). В основе способа интенсификации газовыделения дросселированием (или штуцированием по терминологии а.с.СССР №1502047, 1989 г.) на самом деле лежит другой способ интенсификации зародышеобразования: теоретически неограниченная по глубине вакуумобработка в центрах турбулентных вихрей, теория которой разработана (ИФЖ, 1971, т. XX, №2, с.261-267). Способ получил экспериментальное подтверждение и в настоящее время применяется достаточно широко, в т.ч. и при флотационной очистке. Если по прототипу вакуумобработке подвергается весь поток, то по а.с.СССР №1502047, 1989 г. - только его часть, попадающая в центры турбулентных вихрей. Однако качество очистки воды после восьмичасового отстоя в резервуаре, подтвержденное нашими экспериментами в Урае, достаточно высокое - до 10-15 мг/л при исходном содержании нефти в воде до 6%, т.е. много лучше, чем в упомянутом а.с. Аномально низкое давление, при котором проводилось штуцирование в регуляторах межфазного уровня в нефтяных отстойниках, и высокое качество очистки можно объяснить следующим. На нефтяных отстойниках с диаметром трубопровода выхода воды 300 мм были смонтированы регуляторы диаметром всего 50 мм. При этом за счет частичного перехода кинетической энергии в потенциальную вполне возможно вакуумметрическое давление на выходе струи из клапанной щели регулятора: работа регуляторов сопровождалась характерным треском разрываемой жидкости, а на выходе прослушивалось прохождение снарядов газа. Нефтяные капли легче воды, поэтому, попав в поле турбулентного вихря, они будут устремляться к его центру, в зону минимального давления. Важно только, чтобы размер этой зоны, зависящий как от мощности вихря, так и от внешнего давления, был достаточен для размещения в ней капли нефти. Отсюда следует зависимость эффекта дросселирования от внешнего давления. И в этом случае можно предполагать преимущественное вскипание капель нефти, хотя возможность вскипания и воды здесь сохраняется. Беда лишь в том, что излишняя турбулентность способна разрушить образовавшиеся флотокомплексы. Турбулентность можно уменьшить, а давление снизить, если регулятор уменьшенного диаметра снабдить конфузором на входе и диффузором на выходе (см. п.3 формулы изобретения).

3.1.3.2. (п.2.2). Ярким свидетельством разной глубины вакуумобработки в дестабилизаторе и в регуляторе является экспериментальный факт, что первый освобождает (хотя бы частично) содержащуюся в воде нефть от глины, а регулятор - нет. Поскольку несмотря на различные режимы блоков очистных сооружений в Урае и АО “Соболь” (г. Мегион) при работе минуя резервуары технология обеспечила совершенно одинаковую глубину очистки - 5-6 мг/л, а при этом вода в “Соболе” не содержала глины (была абсолютно прозрачной), то можно утверждать, что остаточные нефтепродукты в воде не связаны с глиной и при дальнейшей очистке не будут загрязнять ее. Дело в том, что очистка от мехпримесей создает проблему утилизации уловленного - требования экологии запрещают его использовать даже под дорожное покрытие. Здесь же появляется возможность получить экологически чистый осадок. Способы очистки воды от коллоидной глины широко известны. Это, например, добавка в нее коагулянта или флокулянта (Ю.Г.Фролов Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперстные системы. - М.: Химия, 1988, 464 c. -с.397), а затем либо отстой, либо слабонапорная фильтрация. Важно, чтобы и коагулянт не вызывал экологических проблем. В случае, если предположение подтвердится, то осадок, включая придонный слой отстоявшейся воды, можно сбрасывать даже в реки.

Поскольку уловленная в процессе очистки воды нефть возвращается в голову процесса, то без выведения глины из оборота будет происходить ее накопление. Не исключено, что это одна из причин накопления погранслоев, ставших настоящим бичом практически всех пунктов подготовки нефти страны. Тогда отмеченное в Урае загрязнение очищенной воды глиной - результат такого накопления за срок эксплуатации установки подготовки нефти, и с решением проблемы предотвращения накопления погранслоев (см., например, заявку №2002126511 “Способ подготовки нефти”) не возникнет и проблема очистки воды от коллоидной глины.

3.1.3.3 (п.2.3 - п.2.4) Попадание недестабилизированной нефти в очиститель воды в период остановки можно предотвратить, снабдив подводящий трубопровод краном перед очистителем на горизонтальном участке.

Последствия выхода за пределы лотка и влияние застойных и водоворотных зон можно устранить только в отстойнике новой конструкции (см. п.3.3).

3.1.3.4 (п.2.5). Вся отделяемая от нефти вода должна проходить очистку. За исключением случаев неполного предварительного сброса воды мгновенная производительность установок по очистке воды переменна во времени. Откачка же воды на БКНС должна быть как можно более стабильной в отчетный период времени из условия минимизации затрат на перекачку. Из-за того, что потери на трение при перекачке воды пропорциональны квадрату расхода, затраты энергии на преодоление трения пропорциональны его кубу. При этом перекачка с переменной производительностью может сопровождаться многократным перерасходом энергии по сравнению с оптимальной. Поэтому наличие буферной емкости в блоке очистки обязательно. Необходимый объем буферной емкости определяется степенью неравномерности мгновенной производительности установок по воде. Учитывая возможность отключения энергии для пункта подготовки нефти с производительностью по воде более 1000 м³/сут это уже, как правило, резервуар.

В технологической цепи буферная емкость может быть расположена до блока глубокой очистки, параллельно ему и за ним. В первом случае вода на очистку подается насосом с регулируемым приводом из условия обеспечения баланса подачи воды на очистку и откачки очищенной воды на БКНС.

Во втором случае встает проблема обеспечения качества подготавливаемой воды в связи с параллельной блоку глубокой очистки очистке воды в резервуарах.

Нефть в очищаемой воде распределена в виде множества микрокапель разных размеров, подчиняющихся определенному закону распределения. При этом во время отстоя успевают всплыть самые крупные капли нефти. Оставшиеся в сумме и дают остаточные нефтепродукты в воде. Так что при заданном законе распределения любому остаточному содержанию нефтепродуктов в воде соответствует определенный размер наиболее крупных сохранившихся микрокапель. Именно последнее накладывает ограничение на степень необходимой очистки воды перед закачкой ее в пласт - она ограничена диаметром пор пласта. Поэтому при смешении вод с разной степенью очистки для закачки ее в пласты лимитирующей является худшая по степени очистки из смешиваемых вод - иначе проницаемость пластов резко ухудшится вплоть до полной потери поглощающей способности. Следовательно, для реализации работы по этой схеме необходимо поднять уровень подготовки воды в резервуаре до требуемой кондиции. Дросселирование потока на входе в резервуар, работающий по обычной схеме, при восьмичасовом отстое позволяет снизить остаточное содержание нефтепродуктов в воде до 10-15 мг/л. Но при этом входящая в резервуар струя создает мощные конвективные токи, перемешивающие всю воду в резервуаре, поэтому для повышения качества очистки необходимо определенное время покоя.

Для обеспечения работы резервуара в режиме транзита необходимо защитить область, захваченную конвективными токами, порожденными струей на выходе из резервуара, от попадания микрокапель нефти. Модельные эксперименты показали, что при вводе вакуумобработанной воды в удаленный от дна слой жидкости донный слой остается чистым даже при организации донного слива той же производительности. Важно только избежать бурунов над входящей струей. Предлагается ввод вакуумобработанной воды в резервуар производить через внутреннюю свечу с диаметром, обеспечивающим скорость жидкости в нем не более 0,5 м/с. Тогда превышение поверхности над струей будет V²/2g=0,25/20=0,0125 м, что близко к напору, необходимому для растекания воды по поверхности, т.е. бурунов не будет. Высота свечи должна составлять не менее 1/3 максимального уровня воды в резервуаре. Это ограничит минимальный уровень воды высотой свечи, т.е. уменьшит буферную способность резервуара, но обеспечит значительно более высокое качество подготовки воды. В процессе эксплуатации необходим контроль за своевременным сбросом накопленного слоя нефти и образовавшегося в резервуаре пограничного слоя. Повышению качества очистки воды будет способствовать повышение времени пребывания жидкости в резервуаре за счет снижения расхода жидкости, подаваемой в резервуар. Возможно вместо свечи отгородить часть резервуара стенкой той же высоты. Это позволит вводить в образованную стенкой предкамеру не только рабочий поток, но и - с использованием байпаса - весь (например, при вынужденной остановке блока глубокой очистки). При нормальной работе блока очистки эффект обусловлен увеличением времени пребывания воды в резервуаре за счет подачи основной ее части на глубокую очистку (см. п.4 формулы изобретения)

Буферная емкость за блоком глубокой очистки потребует либо обеспечения плавного регулирования вакуумобработки на входе в отстойник в широких пределах, либо использования нефтяных отстойников в качестве промежуточного буфера за счет резерва межфазного уровня нефть-вода.

3.1.3.5. (п.2.6). В сентябре 2003 удалось попасть в ОАО “РИТЕК”, где с июля 2000 г. находится в эксплуатации установка подготовки воды с дестабилизаторами и нефтесборными колпаками. Несмотря на изменение среднесуточной производительности установки с 870 м³/сут до 1940 м³/сут за это время в очищенной воде видимых следов нефти нет, а остаточное содержание мехпримесей составляет от 2 до 7 мг/л (допустимое - 20 мг/л). Этот экспериментальный факт, а также многолетняя эксплуатация дестабилизаторов с регулированием в ЗАО “Соболь” (г. Мегион) позволяет утверждать, что причина неэффективного регулирования в п.2.6 - низкое качество изготовления дестабилизаторов для Урая. И все-таки по своей сути регулируемый дестабилизатор из-за излишней турбулизации течения по зародышеобразовательному механизму может превращаться в обычный дроссель в зоне пониженного давления. Из-за неудовлетворительной регулировочной характеристики он мало приспособлен для автоматического поддержания постоянства давления на входе. К тому же, длинноходовой электропривод регулировочной иглы по стоимости превышает стоимость дестабилизатора. Поэтому предпочтительнее ступенчатое регулирование изменением числа работающих дестабилизаторов с использованием имеющегося резерва давления на входе. Оптимальное число дестабилизаторов для обеспечения симметричности ввода - три на каждый аппарат. Для плавного регулирования внутри ступеней можно использовать стандартный регулятор давления малого диаметра, смонтированный с параллельно дестабилизатору, полнопроходными кранами одинакового с регулятором диаметра, конфузором перед входным краном и диффузором за выходным.

Диаметр кранов и регулятора должен обеспечивать при полностью открытом регуляторе максимальный расход одного дестабилизатора при том же перепаде давления. Ввод этой части воды в емкость нужно производить над вводом из дестабилизаторов, чтобы она пронизывалась пузырьками и микрокаплями, а для гарантированного попадания в верхний слой можно выбрать место ввода и патрубок внутри емкости снабдить отводом (коленом) с вырезанной внутренней половиной (см. п.3 формулы изобретения).

3.1.3.6. (п.2.7) У прототипа слив нефти осуществляется через нефтесливной карман с плоской вертикальной передней стенкой. Слив очищаемой воды производится через антизавихритель под плоским горизонтальным днищем кармана. При этом излишняя обводненность отводимой нефти может быть обусловлена двумя причинами:

1) конструкция кармана неизбежно порождает перед передней стенкой вихревую область с составляющей скорости у стенки, направленной вверх. При этом нефтяной слой может оттесняться поднимающейся водой.

2) при неохотной коалесценции взбухших микрокапель нефти в поверхностном слое в отстойнике возможна эмульсия типа плотной упаковки шаров с содержанием водной фазы 3/4π .

Первая причина может быть устранена конструктивными мерами (см. п.3.3), вторая требует дополнительных либо механических, либо химических воздействий. Повышенные требования к качеству отводимой нефти обусловлены следующим.

Если нефть содержит мехпримеси, то всюду практикуемый возврат уловленной нефти в голову процесса вызывает накопление погранслоев в нефтяных отстойниках и ее лучше реализовать как топливо или же малыми дозами закачивать в товарную нефть, для чего последняя должна иметь запас качества. Оба способа возможны, если нефть обезвожена в достаточной степени.

Причиной неохотной коагуляции микрокапель нефти может служить поверхностный слой ПАВ, сформировавшийся в результате подачи деэмульгатора в предшествующем процессе обезвоживания. Для интенсификации коагуляции необходимо подавать вещество, способствующее слиянию капель - коагулятор. Для дозировки вводимого коагулятора можно использовать капиллярный метод - помещать фитиль одним концом в ванну с коагулятором, а второй конец развернуть, например, по поверхности верхней перегородки, ограничивающей газовую шапку в отстойниках по пп.8 и 9 изобретения. В этом случае доза вводимого коагулятора будет определяться свойствами материала фитиля, его толщиной и шириной.

Судя по изложенному в упомянутой на стр.11 книге Ю.Г.Фролова (стр.398-401), в качестве коагулятора можно применять деэмульгатор, противоположный по растворимости добавляемому в процессе обезвоживания нефти, (см. п.5 формулы изобретения).

3.2. Дестабилизатор

Знание точной характеристики дестабилизатора мало что дает. На любом промышленном объекте практически все влияющие на режим факторы переменны, причем в широком диапазоне. Поэтому единственно приемлемым средством обеспечения нормального функционирования блока очистки является создание надлежащих условий и обеспечение возможности корректировки характеристик дестабилизатора.

Поэтому, несмотря на то, что геометрия проточной части дестабилизатора при испытаниях в Урае оправдала себя, необходимо изменить конструкцию дестабилизатора для обеспечения возможности ступенчатого изменения основного влияющего на параметры размера - диаметра горловины. С нею же связана опасность преждевременного выхода дестабилизатора из строя в результате кавитационного износа.

Поскольку давление на выходе из сопла, а тем более внутри него, меньше давления насыщения воды газом, кавитации, точнее схлопывания пузырьков, в дестабилизаторе нет. Однако входная часть дестабилизатора, выполненная из качественной углеродистой стали, менее чем за полтора года круглосуточной эксплуатации установки дегазации сеноманской воды в ЗАО “Манойл” (г. Нефтеюганск) полностью пришла в негодность из-за глубоких язв на поверхности в месте сопряжения с регулировочной иглой. И это произошло несмотря на высокое газосодержание сеноманской воды (до 3 м³/м³). Следовательно, причиной кавитационного износа является разрыв сплошности жидкости, а не захлопывание микропузырьков. Последующие дестабилизаторы выполнялись из вязкой аустенитной нержавеющей стали, и их эксплуатация в течение более 3 лет не вызывала осложнений. Но нержавеющая сталь плохо обрабатывается и дорогая. Гораздо проще и дешевле выполнить из нее не все сопло, а только его входную сменную часть.

При отсутствии регулировочной иглы разрыв жидкости происходит там, где поток получает возможность расширяться - на самом конце цилиндрической части (горловины), при этом из-за стеснения потока образующимися пузырьками на ближайших 1-2 см процесс приобретает лавинообразный самоускоряющийся характер. Именно в этом месте наиболее вероятно появление эрозионного износа. С введением регулировочной иглы место возможного эоррозионного износа перемещается на вход в горловину. Следовательно, сменной должна быть часть от конфузора до начальной части диффузора (см. п.6 формулы изобретения).

3.3. Установка очистки пластовых вод

Из-за возможности отказов звеньев технологической цепи блока очистки пластовых вод с насосами откачки очищенной воды в конце нее необходим резервный объем, достаточный для ликвидации отказа. Следовательно, в цепи с отстойниками постоянного уровня обязательна буферная емкость. Поскольку одновременно с очисткой идет дегазация воды, наличие газовой шапки в отстойниках обязательно. Следовательно, встает проблема поддержания уровня в отстойнике сравнительно в жестких пределах. Так как уровень в отстойнике тесно связан с уровнем в буферной емкости, необходимо совместное рассмотрение всей цепи.

3.3.1. Установка с емкостными отстойниками

Для повышения надежности прототипа необходимо:

- исключить попадание недестабилизированной нефти в отстойник;

- исключить промежуточную перегородку в предкамере, обеспечив формирование придонного слоя предварительно отстоявшейся воды другими средствами;

- обеспечить ввод жидкости в основной отсек в спутном потоке окружающей воды;

- обеспечить надежное поддержание уровня в необходимых пределах;

- обеспечить надежный контролируемый сбор и отвод уловленной нефти. Для решения этих задач предлагается следующее.

- Заменить входные задвижки дестабилизаторов на краны и разместить их на горизонтальном участке подводящего трубопровода на уровне оси коллектора. Это предотвратит накопление нефти перед остановленным дестабилизатором и прохождение через него нефтяных включений до выхода на режим - конечно при условии, что кран открывается быстро.

- Заменить прямой удар входящей струи о перегородку на косой, наклоненный в сторону выхода воды из предкамеры. Для этого можно входные патрубки продолжить внутрь емкости, и загнуть внутренний конец вверх, и удалить внутреннюю половину полуколена.

- Снабдить основной отсек отстойника дополнительным сливом сразу за стенкой предкамеры. Благодаря инерции жидкости этот слив в верхней половине емкости образует водоворотную область со скоростью в верхней части в нужном направлении.

- Диапазон возможного изменения уровня жидкости в отстойнике можно ограничить снизу, если ввод очищенной воды в буферную емкость производить через внутреннюю незатапливаемую свечу со срезом на необходимом минимальном уровне в отстойнике. Тогда при условии прохождения всего потока через буферную емкость максимальный уровень в отстойнике будет отличаться от минимального на величину суммы гидравлических и инерционных потерь на пути движения от отстойника до выхода из свечи и скоростного напора на выходе из последней. Скорость на выходе из свечи должна исключать бурунообразование, т.е. должна быть не более 0,5 м/с. Водопад на выходе из свечи при низких уровнях в буферной емкости можно устранить двумя наклонными пластинами, сваренными в верхней части и имеющими нижние кромки у стенок в нижней половине емкости с малым зазором, образующим затопленный слив. Гидродинамическую обстановку в буферной емкости можно успокоить, а верхний уровень в отстойнике сделать регулируемым, если снабдить буферную емкость байпасом с расположенным на нем клапаном, управляемым датчиком уровня в отстойнике. При приближении к статическому (минимальному) уровню клапан должен закрываться полностью.

- Гидростатическое ограничение уровня в отстойнике приводит к тому, что с накоплением нефти межфазная граница нефть - газ повышается, а уровень нефть - вода снижается. Поскольку нефтесливной карман излишне захватывает воду, предлагается слив нефти производить через верхнюю прорезь горизонтальной трубы, расположенную на минимальном уровне в отстойнике. Контроль за накоплением нефти можно осуществлять через зонд-поворотник.

Гидростатический способ ограничения минимального уровня в отстойнике практически не применим, когда в качестве буферной емкости используется резервуар. Существует еще один способ управления уровнем - изменением давления в отстойнике. Он позволяет поддерживать давление в отстойнике на минимальном необходимом в данный момент уровне, что углубляет вакуумобработку и порождает проблему поддержания уровня постоянным.

Такое регулирование можно осуществить поплавковым регулятором с радиальным входом отводимого газа через окна (или отверстия) на цилиндрической поверхности отвода (он разгружен от окружающего давления). В качестве условий работоспособности этого способа регулирования можно использовать два условия. Первое - при полностью перекрытых выходных окнах темп нарастания давления должен превышать наибольший темп нарастания уровня в буферной емкости при постоянном давлении в нем. И второе - темп убывания давления при полностью открытых окнах должен превышать темп наибольшего убывания уровня Zo при массовом расходе отводимого газа, превышающем массовый расход выделяющегося (подводимого) газа. Аналитически эти условия могут быть записаны одинаково

Можно показать, что в предположении об идеальности газа темп изменения давления в отстойнике

т.е. зависит от дисбаланса массового количества газа, поступающего в объем газового пространства отстойника G₊ и отводимого из него G_ (R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура, V_г - объем газового пространства в отстойнике, t - время).

Следовательно, при большом объеме газового пространства V_г и сравнительно малом количестве растворенного газа такое регулирование возможно только при подпитке газа от постороннего источника. Вышеизложенное составило п.7 формулы изобретения. Подпитка газом не всегда возможна. Для применимости способа управления уровнем изменением давления в отстойнике необходимо многократно сократить объем газового пространства прототипа. Но при лотковом незатопленном сливе это невозможно.

Кроме того, у установки-прототипа имеется и принципиальный недостаток: накопление уловленной нефти идет на поверхности воды в зоне наивысших скоростей жидкости в отстойнике. Это создает угрозу уноса уловленного вглубь очищаемой воды. Изложенное применимо при ограниченном диапазоне возможного изменения уровня в буферной емкости.

Учитывая проблемы со сбором и отводом нефти, в конструкцию прототипа предлагается ввести следующие дополнительные изменения, позволяющие затопить горизонтальную цилиндрическую емкость отстойника полностью. Сохранив перегородку, образующую предкамеру подъемного движения, сливной лоток предлагается заменить струеформирующим козырьком так, чтобы изливающаяся струя контактировала снизу со спутным потоком жидкости благодаря дополнительному сливу. Емкость снабдить на верхней образующей как минимум двумя колпаками, соединенными друг с другом самотечным трубопроводом достаточно большого диаметра. В наиболее удаленном от входа колпаке разместить поплавковый клапан-регулятор уровня, обеспечивающий самотечное движение жидкости в трубопроводе со свободной поверхностью, датчик межфазного уровня нефть - вода и сливное устройство для отвода нефти с регулятором на выходе. При достаточном количестве отводимого газа поплавковый клапан-регулятор может быть заменен датчиком уровня нефть - газ, управляющим обычным регулятором на выходе газа из емкости.

У предлагаемой конструкции несколько преимуществ по сравнению с рассмотренной выше:

- накопление нефти вынесено за пределы области больших скоростей и поэтому снижен риск захвата загрязнений отводимой водой.

- в отстойнике поддерживается минимальное давление, необходимое для дальнейшего транспорта очищенной воды, благодаря чему углубляется дегазация жидкости;

- улучшены условия отстоя накопленной нефти; из-за увеличения допустимой толщины слоя накопления обеспечена возможность спокойной работы датчика межфазного уровня нефть - вода, управляющего сбросом нефти.

Намечающаяся схема отстойника приведена на фиг.3 А. У этой схемы есть два изъяна. Первый - прохождение снарядов газа вдоль верхней образующей будет срывать уже прошедшее частичное расслоение фаз, вызывая повторное перемешивание. Поэтому схема приемлема при ограниченном газосодержании очищаемой воды. Второй связан с тем, что поток при смене направления с вертикального в предкамере на горизонтальное в цилиндрической части емкости неизбежно будет прижиматься к верхней образующей, что угрожает теми же последствиями. При этом практически зоной свободного отстоя будут только объемы колпаков, что может оказаться недостаточным.

Оба эти недостатка можно устранить, если над козырьком, завершающим вертикальную перегородку камеры подъемного движения, уже после организации горизонтального движения жидкости установить вторую перегородку (см. фиг.3 В), создающую перед ней еще одну газовую шапку для организации поверхности спада. За перегородкой отстойник сохраняется полностью затопленным. При этом газоотделяющее действие перегородок, обтекаемых снизу, усиливается барбатажом выделившегося на поверхности спада газа. Высота этой перегородки отодвигает от верхней образующей струю очищаемой воды, над которой создается область спокойного динамического отстоя. В случае если возникнут проблемы из-за малого количества выделяющегося газа, возможна подпитка газового пространства от постороннего источника. Если же газа слишком много, то его можно пропускать через треугольные вырезы внизу перегородки для предотвращения образования излишне крупных пузырей (фиг.3В).

При достаточном количестве отводимого газа регулирование уровня можно производить обычным регулятором на газовой линии вне отстойника. Допустимую зону возможного изменения уровня при этом можно обеспечить, увеличив высоту колпака и снабдив ввод трубопровода в нефтесборный колпак в верхней его части перегородкой по фиг.3В. В этом случае все остальные колпаки можно выполнить как ответвления от нефтесборного трубопровода с переходниками на больший диаметр в месте присоединения к емкости (фиг.3 В, Д).

Емкостной отстойник допускает возможность выполнить приемные камеры с обоих торцов емкости (фиг.3 Д). Это позволяет удвоить число дестабилизаторов и, следовательно, практически решить проблему плавного регулирования производительности за счет использования резерва давления на входе (фиг.2). В этом случае нефтесборный колпак выполняется над центром емкости. Установка с затопленным отстойником и с колпаками предлагается в п.8 формулы изобретения.

3.3.2. Установка, включающая емкостной отстойник с выносным лотком

В п.3.1.1. была высказана идея использовать концевой делитель фаз (далее “КДФ”) для предварительного расслоения вакуумобработанного потока, а окончательную очистку воды производить в емкости, разделенной на две секции: секцию приема и предварительного разделения фаз и секцию доотстоя с промежуточным подъемным движением очищаемой воды между перегородками. (фиг.4)

Требование сохранить разделенный в КДФ поток без перемешивания при вводе его в емкость вынуждает поднять КДФ до уровня ввода, т.е проложить его на эстакаде. Чтобы в КДФ произошло расслоение потока, нужно время, т.е. достаточная длина КДФ. Ее можно сократить, если на вход в КДФ вводить уже частично расслоенный поток, например, при стекании по лотку с оптимальным углом наклона к горизонту (около 15°). Дополнительный эффект может дать предварительное укрупнение микропузырьков и взбухших в результате вакуумобработки микрокапель нефти в процессе подъема к поверхности раздела фаз в умеренном турбулентном режиме и формирование придонного очищенного слоя при подготовке поверхности спада. Так как увеличение диаметра КДФ ведет к росту времени для всплытия загрязнений, оптимальное число КДФ на входе в емкость - два. Трубопровод для подъема газожидкостной среды к поверхности спада - один (см. ниже). Но оптимальное число дестабилизаторов - три, значит, в начале подъема необходим разветвленный участок, собирающий потоки вакуумобработанной среды воедино. Важно только, чтобы величина этого участка была достаточно мала по сравнению с общей высотой подъема (п.9 формулы изобретения).

3.3.3. Установка с трубным отстойником воды

У емкостных отстойников имеются ограничения, накладываемые формой стандартных емкостей. Так, сливной лоток необходимых размеров уменьшает полезный объем емкости и делает практически невозможным регулирование уровня клапанами-отсекателями. При наличии затопленных струй в излишне большой емкости неизбежно появление конвективных токов, управление которыми затруднено как из-за переменности производительности отстойника, так и из-за переменности самих токов. И, наконец, рабочее пространство, в частности, его поперечный размер, строго ограничен диаметром емкости, поэтому удалить место слива и связанную с ним зону возмущения от границы возможного захвата микропузырьков и микрокапель практически невозможно.

От всех этих недостатков свободен трубный отстойник, обеспечивающий практически полную свободу принимаемых решений. Кроме того, он может быть изготовлен непосредственно на месте монтажа, т.е. снимаются проблемы, связанные с его доставкой. Трубный отстойник занимает меньшую площадь и может быть смонтирован над имеющимися емкостями, что неоценимо для очистки воды на морских платформах.

Он обещает быть дешевле емкостного отстойника, может иметь в три раза большую производительность, чем емкостной, и легко объединяется в блоки практически неограниченной производительности.

В основе конструкции отстойника лежат идеи, перечисленные в п.3.3.1, в частности он содержит секцию выноса пузырьков на поверхность в попутном потоке жидкости при наличии двух ограничений: отсутствии обратных токов и умеренной турбулентности подъемного потока без дробления флотокомплексов; секцию формирования поверхности спада, секцию тонкослойного динамического отстаивания при спуске по лотку, секцию разделения фаз, доотстоя и сброса отделенной нефти, секцию опускного движения, сбора и отвода очищенной воды.

При разработке конструкции трубного отстойника приходится учитывать следующие факты. Поскольку источником движения служит перепад давления, зависящий как от высоты столба жидкости, так и от плотности среды, заполняющей этот столб, подъемное движение пузырьковой среды по параллельным трубам неизбежно вызывает переменность их загрузки вплоть до возможности обратного движения по некоторым из них: случайное неравномерное распределение газовой фазы вызывает снижение противодавления, ускорение потока и, следовательно, еще больший захват газовой фазы. В это же время в других трубопроводах наблюдается повышение противодавления за счет снижения газовой фазы до появления противотока, приводящее к захвату газовой фазы сверху, снижающему противодавление до нового возобновления движения, и т.д. Опускное движение по параллельным трубам с умеренной скоростью вызывает обратный эффект. Случайный захват газовой фазы снижает давление на входе в трубопровод, скорость движения по нему замедляется до прекращения захвата.

Поэтому подъем жидкости к поверхности раздела фаз необходимо осуществлять по одиночному каналу, а спуск очищенной воды можно осуществлять и по нескольким трубам. В то же время оптимальное число дестабилизаторов - три. При этом разветвление в приемной секции неизбежно. Важно только чтобы доля раздельного движения была много меньше, чем полная высота подъема (см. п.10 формулы изобретения).

3.3.4. Обоснование формулы изобретения

Во всех конструкциях отстойников использованы одни и те же идеи. Судя по испытаниям в Урае, они могут полноценно работать только на дестабилизированной воде, следовательно, они образуют вместе со способом единый изобретательский замысел.

Все конструкции могут быть рассмотрены как ВАРИАНТЫ реализации одних и тех же идей. По сравнению с прототипом они позволяют решить одни и те же задачи:

- повышение помехоустойчивости;

- оптимизация условий самофлотационной очистки, в частности за счет минимизации давления в отстойнике;

- улучшение условий накопления и отвода нефти.

Независимый пункт 7 формулы изобретения имеет альтернативу: либо конструкция, позволяющая реализовать гидравлический путь поддержания уровня, либо регулирование уровня осуществляется изменением давления в отстойнике. Первая конструкция предпочтительней, когда буферная емкость - горизонтальная цилиндрическая. Вторая предпочтительней, когда в роли буферной емкости применен резервуар. Эти два направления развиваются в пп.9 и 8,10 соответственно.

Альтернатива уместна, т.к. она при любом выборе обеспечивает одну и ту же цель - поддержание уровня в отстойнике постоянным, и в то же время позволяет рассматривать дальнейшие пункты формулы изобретения 8 - 10, имеющие разные поддержания уровня как зависимые.

Варианты по п.7 и п.9 наиболее уместны, когда имеется возможность очистки под атмосферным давлением. При этом более сложный вариант 9 имеет и большую степень защиты от случайного прорыва загрязнений в магистраль.

Варианты по п.8 и п.10 применимы, когда в качестве буферной емкости используется резервуар. Оба варианта позволяют сбрасывать менее обводненную нефть, чем варианты 7 и 9. При этом более простой вариант 8 уступает варианту 10 как по транспортабельности, так и по месту, необходимому для очистных сооружений.

4. СПИСОК ПОДРИСУНОЧНЫХ ПОДПИСЕЙ

Фиг.1. График зависимости производительности дестабилизатора от давления на входе. Фиг.2. Рабочая зона группы дестабилизаторов. Фиг.3. Варианты выполнения установки, включающей заполненный отстойник с колпаками. Фиг.4. Установка, включающая отстойник с вынесенным лотком. Фиг.5. Сочетание дестабилизации с дросселированием на входе в отстойники. Фиг.6. Сочетание дестабилизации с дросселированием на входе в резервуары. Фиг.7. Варианты выполнения сменной детали дестабилизатора. Фиг.8 Модернизация прототипа. Фиг.9. Установка с трубным отстойником.

Фиг.10. Процессы при подныривании газа под перегородку: А - формирование пузырьков, Б - коалесценция.

5. СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

5.1. Первый пункт формулы изобретения посвящен установлению условий осуществления самофлотационной очистки независимо от вида отстойника. Он утверждает, что для самофлотационной очистки необходимы ограничения давления на входе и выходе дестабилизатора.

Первое из неравенств выражает условие достаточности давления на входе для разгона жидкости до скоростей, обеспечивающих разрыв жидкости на входе в диффузор при заданном противодавлении. Оно позволяет установить минимальное давление на входе в дестабилизатор при известном давлении в отстойнике Р₀ или же, наоборот, максимальное давление в отстойнике при заданном минимальном давлении на выходе, необходимое для самофлотационной очистки. Так, например, при известных коэффициентах (так как рабочий режим сопровождается треском разрываемой жидкости, их можно определить экспериментально при работе с двумя значениями противодавления, в т.ч., и на модели устройства) без труда можно определить минимально необходимое давление на входе для любой из приведенных на фиг.4-10 схем. Или же по известному минимальному давлению на входе - максимально допустимый уровень воды в резервуаре на выходе из отстойника для самофлотационной очистки при работе по схеме фиг.6, 9.

Второе неравенство распадается на два: условие, гарантирующее отсутствие кавитации Р_вых<P_s и условие, связывающее минимальную скорость в горловине дестабилизатора и давление на входе. Кавитация прослушивается как щелчки от захлопывания пузырей и совершенно не допустима для самофлотационной очистки. Второе неравенство дает направление необходимой коррекции для его осуществления. Рассмотрим это на примере.

Пример. Блок очистки, удовлетворительно работавший в летнее время, стал периодически плохо очищать воду зимой. Выявить и устранить причины плохой работы.

Наиболее вероятной причиной может быть нарушение второго условия, связанное с возрастанием давления в отстойнике из-за выпадения конденсата в линии отвода газа с установки. Попавшая в отстойник недестабилизированная нефть перемешивается. В дальнейшем нормализация обстановки требует значительного времени для разбавления загрязненной воды.

Возможны следующие меры. 1) Врезать в газоотвод конденсатоотделитель для нормализации давления в отстойнике. 2) В соответствии со вторым неравенством можно обеспечить работоспособность блока очистки, подняв допустимое Р_вых, например, увеличив V_r. Для этого необходимы резерв давления в отстойнике по сравнению с P_s и резерв Р_вх. Осуществляется это введением регулировочной иглы в горловину. Количественно все эти мероприятия могут быть рассчитаны при известных коэффициентах А, В, С и Р_кр.

Подтвержденная промышленными испытаниями потенциальная глубина очистки дестабилзированной воды от нефтепродуктов по этому способу составляет

Остаточное содержание мехпримесей - менее 10 мг/л.

Практическая реализация потенциала зависит от мер по обеспечению выноса загрязнений в поверхностный слой и предотвращению повторного загрязнения очищенной воды всплывшей нефтью, т.е. зависит от конструкции аппарата и от режима его эксплуатации.

5.2. Второй пункт формулы изобретения посвящен созданию наиболее благоприятных условий для отделения нефти при сохранении возможности очистки под атмосферным давлением и по сути дела представляют собой 3-ступенчатую очистку пластовой воды, обеспечивающую наивысшую степень очистки.

При обычном отстое всегда имеется опасность накопления загрязнений в зонах циркуляции отстаивающейся жидкости с периодическим захватом накопленных загрязнений отводимой водой. Здесь эта опасность уменьшается и ее вредные последствия снижаются.

Неизбежный при наземной прокладке участок подъема к аппарату благодаря ограничению скорости дестабилизированная вода преодолевает при умеренной турбулентности, гарантирующей сохранение флотокомплексов и возможность их коалесценции. В концевом делителе фаз формируется подошвенный слой очищаемой воды, который при вхождении в емкость в верхней ее части контактирует со спутным потоком воды, появляющимся благодаря эллиптическому днищу и дополнительному сливу, например, в установке по п.9. Графическое изображение соответствующей установки приведено на фиг.4, а описание в 5.9.

По этому способу прошедшая через дестабилизаторы очищаемая вода подводится по одиночной вертикальной трубе 25 со скоростью 0,5 м/с к Т-образному оголовку 26, затем по наклонному лотку 21 переходит в самотечный трубопровод 27, присоединенный к верхнему входному патрубку емкости отстойника 4. В первой секции отстойника производится первичный отстой, затем перелив через промежуточные перегородки в секцию доочистки того же отстойника. Обе секции доотстойника снабжены дополнительными сливами 7 и в начале секции с пробоотборными кранами на верхней образующей и основным сливом 6 в конце. Основной выход соединен с буферной емкостью через свечу, снабженную снаружи наклонными пластинами для предотвращения водопада.

Во время подъемного движения благодаря турбулентности происходит коалесценция мельчайших капель нефти, и в то же время благодаря ограничению скорости (менее 0,5 м/с) флотокомплексы не дробятся. При этом скоростной напор меньше 0,0125 м и не создает бурунов на свободной поверхности над участком подъема. Благодаря Т-образному оголовку и отсутствию бурунов поток растекается с сохранением всплывших загрязнений. Слив по наклонным лоткам равносилен тонкослойному динамическому отстаиванию. Постепенное углубление сливов рассчитывается так, чтобы у дна не образовывался продольный вихрь (т.е. не происходил отрыв пограничного слоя) и замедление потока было плавным, без перемешивания поверхностного слоя. Наклон трубы подбирается так, чтобы скорость движения не превышала 0,5 м/с (условие свободного всплытия флотокомплексов - см., например, упомянутую на стр.6 диссертацию Махмудова Р.Х.).

При попадании очищаемой воды в емкость отстойника благодаря дополнительному сливу под входящей струей создается спутный поток жидкости, а благодаря предварительному отстою - придонный слой очищенной воды. Поэтому при выравнивании поля скоростей размыв всплывших загрязнений существенно снижен. После доотстоя в первой секции при подныривании под первую перегородку как не успевшие всплыть загрязнения, так и захваченные с поверхности отводимой струей оказываются в верхней части потока в водоворотной области непосредственно за перегородкой. В процессе дальнейшего подъема в вертикальном направлении между перегородками загрязнения сохраняются в верхней части, гарантируя чистую воду в донной части струи. В секции доотстоя процессы повторяются при гораздо более благоприятный условиях.

В отличие от известных сливов очищенной воды, рассредоточенных по дну, предлагаемые сливы регулируемые и подконтрольные. Обе секции отстойника снабжены средствами контроля поверхностного слоя (поворотными зондами) и имеют усовершенствованный слив нефти, исключающий захват очищенной воды снизу. Решена и проблема поддержания уровня. Недостаток поплавковых датчиков уровня - нарушение регулировки при накоплении слоя нефти и неопределенность положения из-за неопределенности плотности окружающей среды. Здесь же, благодаря вводу воды в буферную емкость через внутреннюю свечу ограниченной высоты, уровень в отстойнике не может быть ниже верхней кромки свечи, а превышать его может только на величину гидравлических потерь от одной поверхности к другой, которые всегда можно сделать достаточно малыми, Снабдив буферную емкость байпасом с клапаном, можно сделать и это превышение регулируемым, например, снабдив отстойник сенсорным датчиком уровня для управления клапаном на байпасе буферной емкости. Благодаря расширению диапазона работы регулятора (от полностью открыт до полностью закрыт) точность такого регулирования много выше обычного.

Способ обеспечивает наивысшее качество очистки в соответствии с таблицей п.5.1.

5.3. Третий пункт формулы изобретения развивает способ, изложенный в п.1 в случае переменности мгновенной производительности очистных сооружений тонкой очистки в значительных пределах, превышающих возможности самонастройки при изменении давления на входе и при сниженных требованиях к качеству подготовки воды.

По этому пункту формулы изобретения излишек мгновенной производительности сверх пропускной способности дестабилизаторов при данном давлении на входе допускается пропускать в тот же отстойник через регулятор давления “до себя” при сниженном давлении в месте дросселирования за счет переходов потенциальной и кинетической энергий друг в друга и при условии, что прошедшая регулятор вода будет пронизываться пузырьками и вскипевшими микрокаплями нефти, образовавшимися при полноценной дестабилизации основного количества очищаемой воды, и будет обеспечено попадание сдросселированной воды в верхний слой.

Условие снижения давления в месте дросселирования реализуется при пропуске потока через цепь, приведенную на фиг.5. Диаметр основного трубопровода D должен обеспечивать скорость жидкости менее 1 м/с, диаметр d выбирается минимально возможным и определяется из условия пропуска максимального приращения расхода при максимально возможном перепаде давления на входе с учетом вскипания жидкости. Конфузор цепи предпочтительнее изготавливать из круто изогнутого переходника по ГОСТ 17378-83, диффузор - с минимально возможным углом расширения (желательно менее 15° ) в начальной высокоскоростной части и порядка 20° в конце.

Пример выполнения условий ввода дросселируемой жидкости в отстойник со встроенной предкамерой (см. пп.5.7, 5.8) приведен на фиг.5А. Благодаря вводу жидкости через отвод (колено) с удаленной внутренней половиной в центре эллиптического днища образуется струя вдоль верхней половины днища, попадающая при повороте потока на 90° в верхний слой, пронизываемый всплывающими микропузырьками и микрокаплями дестабилизированной воды.

Ввод в отстойники с вынесенной предкамерой (см. пп.5.9, 5.10) приведены на фиг.5Б. При наличии значительного участка турбулентного движения возможен и совместный ввод.

Качество очистки при сочетании вакуумобработки в дестабилизаторах и дросселирования в зоне пониженного давления зависит от многих факторов, включающих в себя степень загрузки, зависящую от мгновенной производительности дросселя. Однако опыт эксплуатации такого дросселя в Урае позволяет утверждать, что остаточное содержание нефтепродуктов в воде не превысит 15 мг/л.

5.4. В четвертом пункте формулы изобретения по сути дела предлагается параллельная очистка - глубокая, с дестабилизаторами на входе - в отстойниках тонкой очистки и более грубая - в резервуарах.

Эта схема наиболее применима при откачке очищенной воды на разные кустовые насосные станции с разными требованиями к качеству очистки воды, но при наличии резервуаров в пункте внедрения и при откачке очищенной воды на значительные расстояния, достаточные для осреднения качества очистки смешиваемых вод вследствие коалесценции и дробления микрокапель при транспорте в турбулентном режиме, она может применяться и в других случаях.

Предложение прежде всего открывает возможность эксплуатации сооружений тонкой очистки в постоянном, наиболее оптимальном режиме, обеспечиваемом постоянством давления на входе в дестабилизатор за счет отвода переменной части суммарной мгновенной производительности очистных сооружений через регулятор давления “до себя” в резервуары. При этом в зависимости от конкретных условий, в частности от предсказуемости поведения мгновенного расхода (для обеспечения своевременности изменения числа работающих дестабилизаторов), возможен сброс нефти в резервуары и через дополнительные дестабилизаторы, т.е. эксплуатация резервуаров по способу, изложенному в п.3 формулы изобретения. Следовательно, открывается возможность улучшить и качество подготовки воды в резервуарах. Для этого достаточно обеспечить вынос дестабилизированной воды к поверхности разделения с сохранением флотокомплексов и принять меры к предотвращению повторного загрязнения очищенной воды.

Для сохранения флотокомплексов в 4 пункте формулы изобретения предлагается ограничить скорость подъемного движения дестабилизированной воды величиной 0,5 м/с. Косвенным подтверждением этого ограничения служит результат, полученный Махмудовым р.Х. (см. его диссертацию на соискание ученой степени к.т.н. по специальности 051506 “Технология сепарации продукции скважин с использованием эффекта предварительного расслоения и раздельного отбора фаз”): если турбулентность не препятствует разделению фаз при этой скорости в горизонтальном потоке, не повлияет она и не последующее разделение и в вертикальном потоке. Кроме того, подъемное движение ограничено условием отсутствия бурунов на свободной поверхности над затопленной струей. Буруны способствуют выходу свободного газа из жидкости и уносу потерявших газ микрокапель нефти вглубь очищаемой воды. Буруны появляются, когда кинетическая энергия поднимающейся воды превышает потенциальную энергию, необходимую для ее растекания по свободной поверхности. Опыты с дестабилизированной водопроводной водой показали, что предельно допустимая скорость подъемного движения близка к 0,5 м/с.

Кроме того, в рассматриваемом пункте утверждается возможность ввода дестабилизированной воды через внутреннюю свечу (см. фиг.6А) или изолированный отсек (фиг.6Б) высотой не менее трети максимального уровня взлива воды в резервуаре. Дестабилизированная водопроводная вода из-за множества образовавшихся в ней микропузырьков непрозрачна. Это открывает возможность моделирования конвективных токов в резервуарах. Исследования на прозрачной модели резервуара показали, что из-за конвективных токов и малой скорости всплытия микропузырьков все пространство сосуда над вводом дестабилизированной воды вскоре становилось непрозрачным. Но, несмотря на донный слив, нижняя граница непрозрачной воды стабилизировалась примерно на уровне ввода. Процесс всплытия микропузырьков и микрокапель целиком определяется их размерами и поэтому не моделируется. Однако если в сравнительно малом объеме микропузырьки не уносятся ниже границы затопленного ввода, то не будут уноситься они и в большом объеме. Следовательно, минимальный уровень ввода жидкости в резервуар определяется условием незахвата всплывших загрязнений отводимой водой. В горизонтальных отстойниках это условие выполняется на их диаметре (от 2,4 до 3,4 м). Поэтому и здесь принята эта же величина: высота водяных резервуаров обычно лежит в пределах 9-12 м.

Пример. Рассмотрим применение указанного способа на схеме, приведенной на фиг.6С. Вода, сбрасываемая из нефтяных отстойников НО под давлением 3 ати через регулятор межфазного уровня со среднесуточным расходом Q_s должна откачиваться на две блочные насосные станции для закачки в пласты с производительностью Q₁ при повышенном требовании к качеству очистки (допустим, до остаточного содержания нефтепродукта в воде менее 10 мг/л), остальное количество воды должно закачиваться в пласты, допускающие остаточное содержание нефтепродуктов в воде 40 мг/л, насосной станцией со среднесуточной производительностью (Q_s-Q₁). Мгновенный расход сбрасываемой воды стабильно изменяется в диапазоне от Q_{s min} до Q_{s max}. Подготовка воды в двух имеющихся резервуарах (один - на заполнении, второй - на откачке) обеспечивает качество очистки до 50 мг/л, что неудовлетворительно, из-за чего и был поставлен вопрос о повышении качества очистки. Практика показывает, что остановленные надолго резервуары быстро приходят в негодность из-за коррозии в результате попадания кислорода воздуха при малых дыханиях. Поэтому и была применена приведенная на фиг.6С схема с использованием резервуаров.

Очистные сооружения тонкой очистки рассчитываются на пропуск очищенной воды с расходом Q_то при Q₁≤_{Qто<Qs min и включают два отстойника с тремя дестабилизаторами на входе в каждый. Дестабилизаторы рассчитываются на пропуск расхода Qто: 4 (по 2 дестабилизатора на отстойник рабочие, по 1 - в резерве) при давлении на входе, равном 3-0,5=2,5 ати (0,5 ати расходуется на пути движения от нефтяных отстойников до входа в дестабилизаторы).}

Пусть колебания расхода случайны. Производительность резервуара будет изменяться от Q_{p min}=Q_{s min} - Q_to до Q_{P max}=Q_{s max} - Q_тo. Целесообразность установки дополнительного дестабилизатора на входе в резервуар устанавливаем, сопоставляя Q_{s max} - Q_{s min} и Q_P. Тогда установка дополнительного дестабилизатора на входе в резервуар допустима при Q_{P min} > 36 м³/ч (условие простоты изготовления дестабилизатора). В этом случае регулятор давления “до себя” на входе в резервуар рассчитывается на пропуск расхода (Q_{P max} - Q_{P min}) при перепаде давления (2,5 - 0,1 H_max) ати в полностью открытом состоянии, дестабилизатор - на Q_{P min} при Р_вх=2,5 ати, а регулятор давления “до себя” между резервуарами - на пропуск Q_{P max}.

Качество очистки дестабилизированной воды в резервуарах зависит от удельной загрузки и способа использования резервуаров:

1) 1 Н=var: резервуар на транзите. Поведение уровня определяется дисбалансом поступления и откачки.

2) 3 Н=var: работа по схеме “один резервуар на приеме, один на отстое, один на откачке”.

3) 1 Н=const + nH=var: последовательное подключение резервуаров. Первый по ходу жидкости резервуар оборудован на выходе клапаном, поддерживающим стабильность уровня взлива в резервуаре, n - число резервуаров на второй ступени. При соблюдении оптимальных условий для оценки качества подготовки воды в резервуарах с дестабилизацией очищаемой воды можно рекомендовать таблицу (ОСНП - остаточное содержание нефтепродуктов в воде)

В частности, в рассмотренном примере в резервуарах будет обеспечено качество очистки до 20 мг/л, что вполне приемлемо.

5.5. Пятый пункт формулы изобретения посвящен решению еще одной проблемы самофлотационной очистки пластовой воды. Поскольку при самофлотационной очистке параллельно с очисткой от нефтепродуктов идет очистка воды от мехпримесей, удерживаемых нефтью, уловленная нефть обогащена мехпримесями и ее лучше не возвращать в голову процесса, как это обычно делается в настоящее время, а либо реализовывать в качестве топлива, либо закачивать малыми дозами в товарную нефть. Но собранная всплывающими микрокаплями нефть при неохотной коалесценции последних может быть сильно обводнена и не гореть, а закачка ее в товарную нефть связана с риском нарушения качества подготовки товарной нефти как по водосодержанию, так и по мехпримесям.

Отсюда чрезвычайно важной проблемой водоочистки является обезвоживание уловленной нефти. Конструкции, предложенные в п.9 и 10 формулы изобретения, позволяют накапливать и отводить полностью обезвоженную нефть при условии, что всплывшая нефть образует сплошную фазу. Причиной неохотной коалесценции нефтяных капель может быть передозировка деэмульгатора, добавляемого в сырую нефть перед обезвоживанием. Факт влияния деэмульсаторов на последующую очистку пластовой воды известен давно. Нам не известен и здесь предлагается способ исправления недостатка в процессах водоподготовки на промыслах: добавка деэмульгатора, противоположного по растворимости введенному ранее. Так, если в процессе деэмульсации нефти добавлялся водорастворимый деэмульгатор, то в процессах водоочистки следует добавлять нефтерастворимый и наоборот.

В соответствии с п.5 формулы изобретения место ввода коагулятора - либо традиционное (перед вводом в аппарат), либо в место, гарантирующее попадание в поверхностный слой и перемешивание. На фиг.3, 9 эти места обозначены стрелкой К.

5.6. В шестом пункте формулы изобретения предлагается дестабилизатор делать со сменной деталью, выполняемой из кавитационно стойкой стали в области возможного появления кавитации для решения двух задач: первая - обеспечение долговечности при умеренных затратах, и вторая - обеспечение возможности корректировки характеристик дестабилизатора.

Вообще говоря, дестабилизаторы могут быть регулируемыми и нерегулируемыми. Нерегулируемый дестабилизатор представляет собой сопло с конфузором, горловиной и диффузором, снабженное фланцами для присоединения к подводящему и отводящему трубопроводам. Регулируемый дестабилизатор содержит дополнительно предкамеру с регулировочной иглой, вводимой в горловину при перемещении вдоль оси сопла. Поскольку предкамера на стороне, противоположной соплу, закрывается крышкой с приводом, входной патрубок с фланцем для присоединения подводящего трубопровода выполняется на боку предкамеры либо перпендикулярно оси сопла, либо с наклоном к оси на острый угол. У регулируемых дестабилизаторов делается сменной из кавитационностойкой стали и игла.

Поскольку регулировочная игла делается сменной всегда, на фиг.7 изображены в качестве примеров варианты выполнения сопла по предложенному пункту формулы изобретения. Вариант 1, в котором сменной делается входная часть сопла целиком, наиболее прост и совершенен конструктивно, но труден и дорог в изготовлении, т.к. требует заготовки больших размеров из плохо обрабатываемой стали,

Вариант 2, в котором сменным делается внутренняя часть конфузора, горловины и начальная часть диффузора, благодаря постоянству внешней конфигурации сменной части сопла имеет ограниченную возможность коррекции характеристик дестабилизатора, к тому же - только при изменении и длины горловины, что не всегда оправдано. Такие же возможности, как и вариант 1, имеет и вариант 3 со съемной внешней частью конфузора, но он и наиболее сложен.

При работе сопла дестабилизатора весь имеющийся на входе напор переходит в кинетическую энергию. В конфузоре жидкость разгоняется до десятков метров в секунду, создавая на выходе из горловины разряжение, достаточное для разрыва жидкости. В диффузоре благодаря расширению канала происходит возврат кинетической энергии в потенциальную, т.е. давление. Источником силы, прижимающей поток к стенкам, является противодавление. Если оно окажется недостаточным, поток оторвется от стенок и струя проскочит сопло без снижения скорости. При этом давление на входе в диффузор практически равно противодавлению, т.е. эффект вакуумобработки исчезает. Наиболее ответственным участком является начальная часть диффузора, где скорости максимальны. Максимален и темп восстановления давления. Именно поэтому в прототипе - патенте РФ №2179533 автор предложил выполнить диффузор с переменной конусностью, возрастающей либо непрерывно, либо ступенчато.

В предлагаемой здесь конструкции дестабилизатора диффузор содержит стык деталей в высокоскоростной части потока. При этом малейший выступ навстречу потока будет способствовать отрыву струи от стенок. Провоцирует отрыв и впадина. Чтобы избежать отрыва, необходимо изготовить диффузор, обеспечив центровку посадочной поверхности сменной детали и внутренней конусности, затем точно измерить диаметр выхода конусной поверхности диффузора, после чего с одной установки сменной детали на станок изготовить наружную посадочную поверхность сменной детали и конусную поверхность с отрицательным допуском отверстия на выходе конусной части не более 0,05 мм.

Имеющийся опыт промышленной эксплуатации позволяет утверждать, что срок беспрерывной работы дестабилизатора при реализации предложения возрастает по меньшей мере в пять раз, а с заменой детали становится практически неограниченным. Особенно большой эффект предложение даст на стареющих месторождениях с растущей обводненностью нефти.

5.7. Пример осуществления конструкции установки по пункту 7 формулы изобретения приведен на фиг.8. Установка состоит из дестабилизаторов 3 с входным краном 2 на горизонтальном участке отстойника 4, с входным патрубком, продолженным внутри емкости в виде слабо изогнутого вверх колена с удаленной верхней половиной, перегородки 5, образующей предкамеру подъемного движения перед ней и снабженной в верхней части лотком 21. В конце отстойника расположен поворотный зонд 9 и горизонтальная нефтесборная труба с продольной прорезью в верхней своей части и заваренным концом 10. Вблизи торца в донной части нефтесливной трубы монтируется либо малый обратный клапан, либо высверливается малое отверстие для выравнивания давлений внутри и снаружи трубы. Отстойник снабжен двумя сливами: основным 6, в конце емкости, и дополнительным, примерно вдвое меньшего диаметра 7 - непосредственно за перегородкой 5, под лотком 21. Сливы на входе снабжены антизавихрителями. На горизонтальных участках на верхней образующей обоих сливов до их слияния имеются пробоотборные краны. После слияния на сливном трубопроводе установлен регулирующий клапан уменьшенного диаметра. Диаметр трубопровода до клапана обеспечивает скорость жидкости около 0,5 м/с, за клапаном - 1 м/с. До клапана в трубопровод в верхнюю его часть врезается ввод в буферную емкость с внутренней свечой, высотой чуть выше предельного уровня в буферной емкости такого же диаметра, что и водосливной трубопровод до регулятора. За регулятором в трубопровод врезается отводная линия от буферной емкости. Участок трубопровода от последнего места врезки до насосной станции выполняется с небольшим подъемом к насосной станции, врезки от отстойника и буферной емкости поднимаются к емкостям. В покое вся система водосбора должна быть затоплена водой, а пузыри должны из нее удаляться путем всплытия в отстойник, буферную емкость, насос.

Газовое пространство отстойника и буферной емкости постоянно сообщаются друг с другом. Отвод газа осуществляется в свечу рассеивания, а при наличии сероводорода в очищаемой воде - в факельную линию низкого давления. Роль средства контроля за состоянием свободной поверхности выполняет зонд-поворотник 9, позволяющий производить отбор проб на уровнях от предельно допустимого до половины рабочего уровня в емкостях. Роль средства обновления поверхностного слоя выполняет в отстойнике нефтесливная труба 10, соединенная с дренажной емкостью, в буферной емкости - зонд-поворотник 9 при сливе в воронку, соединенную с дренажом. Нижняя кромка лотка, верх нефтесборной трубы и верхняя кромка свечи в буферной емкости выполняются на одной и той же высоте. Отстойник снабжается датчиком уровня, управляющим регулятором на байпасе емкости.

Перед первым спуском отстойник и буферная емкость заполняются чистой водой до минимального уровня, возможно - пресной. Благодаря свече в буферной емкости при этом уровень жидкости в отстойнике будет на уровне нижней кромки сливного лотка, а нефтесливная труба будет погружена в воду до верхней кромки. С пуском дестабилизаторов в работу заполняется предкамера. Затопленная струя благодаря повороту вверх отжимает микропузырьки в сторону наименьшего сопротивления они сортируются: более крупные всплывают сразу, более мелкие захватываются турбулентными вихрями, сталкиваются, сливаются и потоком, направленным вверх, выносятся на поверхность. Самые мелкие остаются в струе. Благодаря созданному подстилающему слою дегазированной очищенной воды они при спуске по лотку частично всплывают, частично сохраняются в верхней части потока, создавая в последующем в отстойном отсеке подстилающий слой, препятствующий размыву всплывшей поверхностной нефти. При спуске по лотку придонный слой очищенной воды сохраняется. При контакте с потоком в попутном направлении, создаваемом благодаря дополнительному сливу под лотком, захватывается пограничными вихрями очищенный слой. При этом, как показали предшествующие промышленные испытания, в дополнительный слив нефть не попадает. При загрязнении, превышающем загрязнения на основном сливе, следует прикрыть выходную задвижку на дополнительном сливе. С началом перелива по лотку уровень в отстойнике повышается до величины, обеспечивающей перелив поступающей воды в буферную емкость через свечу. Необходимо следить, чтобы это превышение не было чрезмерным. В процессе эксплуатации необходимо определить по качеству очистки оптимальную величину уровня и в последующем поддерживать ее автоматически регулятором на байпасной линии буферной емкости.

С созданием динамического напора щель в верхней части нефтесборной трубы и сама труба оказываются затопленными водой. Постепенно на поверхности воды по обе стороны от щели и над ней образуется нефтяной слой, верхняя граница которого поднимается, а нижняя опускается. Благодаря обратному клапану или уравнительному отверстию вода из нефтесборной трубы вытесняется наружу и при открытии нефтеслива в основном уходит поверхностная нефть. Так как существующие датчики межфазного уровня нефть - вода уверенно работают лишь после накопления сравнительного толстого слоя нефти, контроль за ходом накопления слоя осуществляется визуально, путем отбора проб через зонд-поворотник, а слив уловленной нефти предполагается с ручным управлением.

Дополнительный слив воды кроме управления конвективными токами позволяет разгрузить основной, и, следовательно, уменьшить вероятность захвата поверхностной нефти. Внутренняя свеча в буферной емкости должна исключать возможность снижения уровня в отстойнике ниже лотка. Поэтому система регулирования датчик уровня - регулятор на байпасе буферной емкости должна настраиваться так, чтобы при приближении к нижнему пределу регулятор закрывался полностью, а при приближении уровня в буферной емкости к максимальному уровню был бы полностью открыт. Благодаря расширению диапазона регулирования повышается его точность.

Предложенная конструкция обеспечивает качество очистки в соответствии с таблицей в п.5.1.

5.8. Варианты выполнения установки по пункту восемь формулы изобретения рассмотрены на фиг.3. Общим для всех вариантов является наличие предкамеры, дополнительных сливов 7 и колпаков 8. Во всех конструкциях ввод жидкости в отстойник осуществляется наклоненной к горизонту струей. Только если в варианте А наклон струи осуществляется за счет наклона входного патрубка и присоединенного к нему дестабилизатора с косым входом, то в остальных входной патрубок горизонтален, а изогнуто его продолжение внутри емкости с вырезом в верхней части.

В варианте А предкамера отделена от остального пространства плоской стенкой 5, у которой верхняя кромка образует водослив с острой кромкой, у вариантов Б и Г перегородка 9 снабжена струеформирующим козырьком 13, а у варианта В козырек удлинен, а под ним выполнена газоограничительная перегородка 14. В варианте А предкамера снабжена поперечной промежуточной стенкой, которой у других вариантов нет. В варианте А и Б нефтесборные колпаки - большого диаметра, в вариантах В и Г большого диаметра только один колпак, наиболее удаленный от входа (у симметричной конструкции Г с двумя предкамерами - центральный), у остальных - большого диаметра лишь вход в колпаки, выполнены из укороченного переходника по ГОСТ 17378-83, а сами колпаки выполнены из труб того же диаметра или чуть меньшими, что и нефтегазоуравнительные перемычки.

В наиболее удаленном от входа колпаке размещаются: слив нефти, датчики уровней нефть - газ и нефть - вода, а возможно, и датчик предельного уровня нефть - газ, по команде которого перекрывается газовая линия для предотвращения выброса нефти. При малом количестве выделяющегося газа место датчика нефть - газ и регулятора на выходе газа, управляемого им, можно применить поплавковый клапан-отсекатель (фиг.3Д). Он полностью разгружен от внутреннего давления, может монтироваться без опорожнения отстойника и регулироваться без разборки (снаружи).

Нефтегазоуравнительный трубопровод изготавливается с некоторым наклоном к колпаку (порядка 0,005). Его диаметр, длина и уклон выбирают так, чтобы входной конец в трубопровод был выше выходного не более чем на радиус трубы, т.е. чтобы он не затапливался полностью во время работы ни при каких обстоятельствах. Ввиду того, что поднимающиеся пузырьки и микрокапли толкают перед собой воду, только что сформировавшийся слой поверхностной нефти может быть излишне обводнен. Для его обезвоживания и дегазации весьма полезны периодическая встряска и трение. Оба эти воздействия создаются при продвижении всего всплывшего к нефтесборному колпаку благодаря интенсивному барботажу содержимого колпаков. Необходимый для движения гидравлический уклон создается как за счет естественного уклона при движении воды от входа в отстойник до выхода из него, так и за счет снижения количества свободного газа и нефти при удалении от входа, приводящего к неравенству столбов жидкости, необходимых для обеспечения равенства создаваемых ими давлений.

Рассмотрим подробнее причинно-следственные связи многовариантности конструкции.

Поперечная стенка в предкамере (вариант А) не нова: имеется она и у прототипа. Ее задача разделить поток поступающей воды на два: перед стенкой - обогащенный микропузырьками и микрокаплями, и за ней - уже более или менее очищенный. Но в отстойниках со свободной поверхностью обеспечить это разделение сложно. При этом возможно выравнивание давлений за счет накопления нефти за стенкой с периодическим их сбросом в придонный слой водослива. Здесь же всегда имеется возможность обеспечить прямоток за стенкой за счет уменьшения площади проходного сечения над ней. Важно только ограничить этот прямоток. Этот вариант предпочтителен при высоком газосодержании, когда подводные пузыри не склонны сливаться с образованием снарядов газа.

Конфигурация колпаков в основном определяется длиной емкости: при длине емкости менее 8 м предпочтительней конфигурация по типу А, Б, при большей - по типу В, Д. Вариант Д к тому же предпочтительней при колебаниях мгновенной производительности в больших пределах.

Вариант оформления стенки предкамеры зависит от газосодержания очищаемой воды. Вариант А предпочтительней при малом содержании растворенного газа, например, при доочистке воды из резервуаров с насосной подачей воды на очистку. При умеренном газосодержании предпочтительнее вариант с перегородкой по типу Б. При весьма больших газосодержаниях загрязненной воды (например, при добавке значительных количеств воды из концевого делителя фаз, отделенных при сравнительно высоком давлении) необходимо дробление снарядов поступающего газа, т.е. перегородка по типу В.

И, наконец, в представленных на фиг.3 вариантах встречается свободный выход газа из нефтегазоуравнительного трубопровода в нефтесборный колпак и затопленный. Первый требует весьма жесткого ограничения уровня нефти в колпаке и повышенного быстродействия управления отводом газа. Второй позволяет существенно расширить возможный диапазон изменения уровня, но порождает проблемы отвода дегазированной нефти без свободного газа. И все же первый способ предпочтительней при сравнительно небольшом количестве отводимого газа.

Разница в возможностях различных вариантов носит количественный характер. Принципиально же работа всех вариантов одинкова. Дестабилизированная вода поступает в предкамеру в виде наклоненной в сторону выхода струи со скоростью порядка метр в секунду. Первичное отделение наиболее крупных микропузырьков и микрокапель происходит сразу же, еще по пути к стенке. Инерционность воды выжимает наиболее мелкие пузырьки от стенки, формируя подстилающий слой чистой воды. Наиболее мелкие пузырьки и микрокапли захватываются порожденными входящей струей вихрями, сталкиваются, сливаются и поднимаются вверх, в свою очередь создавая за собой вихревой след, захватывающий микропузырьки. Всплывшие пузырьки образуют у потолка пенный слой, трение у стенки неизбежно укрупняет пузырьки. Достигая входа в первый колпак, основная масса пузырьков и микрокапель всплывает. Оставшиеся в воде продолжают всплывать, сталкиваться и укрупняться и всплывут в последующих входах в колпаки.

Благодаря донному сливу в верхней части емкости у ее конца создается вихрь с направлением скорости у верхней образующей от торца, поэтому микрокапли, остающиеся еще в толще воды, заворачивают навстречу потоку и рано или поздно найдут, с кем слиться и всплыть. Попавшие в колпак микрокапли уже не могут вернуться назад. Вероятность столкновений и слияния здесь повышена. Попадая в колпак, они постепенно под действием колебаний поверхностного слоя, порождаемого баработируемыми пузырями, сливаются и образуют сплошную пленку нефти. Захваченная вода постепенно оседает и образует подстилающую пленку на стенках нефтегазоуравнительного канала, а затем стекает по стенкам колпаков обратно в емкость. Движение по нефтеуравнительному трубопроводу в сторону нефтесборного колпака поддерживается постоянной подпиткой поверхностного слоя вновь всплывающими микрокаплями нефти, поэтому достаточно медленно. Массообмен здесь более завершен и шансы получить не только чистую воду, но и более обезвоженную и дегазированную нефть у этой конструкции гораздо выше.

Главные идеи настоящего пункта формулы изобретения прошли промышленную апробацию. Успешно работают установки очистки пластовой воды с колпаками на месторождениях Восточно-Перевальном (ООО “РИТЭКС”, г. Когалым, с 2000 г.), Славинском (ООО “БОВЭЛ”, Урай, с 2001 г.), Сазан-Курак (Казахстан, с 2002 г.).

5.9. В девятом пункте формулы изобретения предлагается конструкция установки очистки пластовой воды для осуществления способа самофлотационной очистки, предложенного в п.2 формулы изобретения.

Устройство установки приведено на фиг.4.

Предкамера подъемного движения здесь вынесена за пределы отстойника и выполнена в виде вертикальной трубы 25 с диаметром, обеспечивающим среднюю скорость подъемного движения не выше 0,5 м/с. В зависимости от диаметра вход дестабилизированной воды в трубу выполнен по одному из вариантов, приведенных на фиг.4. Поверхность спада формируется в оголовке 26 несколько большего диаметра, чем труба 25. По касательной к оголовку в верхней тыловой части в оголовок вварены симметрично трубе 25 два самотечных трубопровода 27 такого же диаметра, что и оголовок, наклон которых к горизонту определяется условием пропуска максимального расхода при заполнении труб не больше, чем на две третьих диаметра. В передней части самотечных труб в них врезан плоский наклонный лоток 21 так, чтобы его порог был расположен на высоте примерно 0,7-0,8 радиуса оголовка 26. Оптимальный угол наклона лотка к горизонту - около 15° . Трубы самотечного движения 27 присоединяются к входным патрубкам емкости отстойника 4, выполненным в верхней половине днища. Примерно на половине длины емкости в нее вваривается перегородка 5а с вырезанными сегментами в верхней части высотой 0,1-0,2 м, и в нижней - 0,3-0,5 м. Примерно на расстоянии 0,5 м от нее вваривается вторая перегородка 5б, сплошная снизу и с вырезанной верхней частью так, что горизонтальная кромка выреза была бы на уровне низа отверстия входных патрубков емкости. Перегородки делят отстойник на основную секцию и секцию доотстоя. Обе секции отстойника снабжены нефтесливами 10 и поворотными зондами для контроля содержимого путем отбора проб. Нефтесливы представляют собой поперечную горизонтальную трубу с прорезью в верхней части на уровне сливной кромки перегородки.

Отстойник оборудован помимо основного слива 6 в конце отстойника двумя дополнительными 7, вдвое меньшего диаметра в начале отсеков. Дополнительные сливы имеют пробоотборные краны, врезанные на верхней образующей до выходных задвижек.

После объединения сливов к выходной трубе на верхней образующей врезан отвод на буферную емкость 20, переходящий внутри нее в свечу 28 с диаметром, обеспечивающим скорость в ней не выше 0,5 м/с. Верхняя кромка свечи расположена на уровне верхнего гребня перегородки 5б. Снаружи свеча оборудована двумя наклонными пластинами 29 с нижними кромками у стен в нижней половине емкости. Снаружи буферная емкость снабжена байпасом с регулятором уровня РУ, управляемым датчиками уровня в отстойнике.

Задача вынесенной за пределы емкости отстойника трубной системы - расслоить поток и сформировать первичный слой всплывших нефтяных загрязнений. Это достигается благодаря избежанию прямых ударов струй дестабилизированной воды на выходе дестабилизаторов, умеренной турбулентности поднимающегося потока и разной скорости микропузырей и вскипевших микрокапель разного размера, искусственного утоньшения потока при его ускорении при стекании по лотку, умеренного углубления потока за счет донной его части при сохранении пространственного положения уже всплывшего, увеличение времени тонкослойного отстаивания по сравнению со стеканием только по лотку у прототипа. Улучшены и условия газоотделения по сравнению с прототипом. При вхождении в емкость эллиптическое днище более приспособлено для создания спутного потока, расширение же потока при вхождении в емкость не уносит уже всплывшее вглубь.

В процессе испытаний в Урае создавалось впечатление, что повышение производительности аппарата способствует повышению качества очистки: наивысшая степень очистки была достигнута при наивысшей производительности аппарата. Следовательно, решающую роль играет не время пребывания в аппарате, а гидродинамическая обстановка отстаивания. Здесь эта идея реализуется.

Вынос предкамеры и лотковой системы за пределы отстойника позволил выделить перегородками две зоны - предварительного отстаивания и доочистки. При этом вместо того, чтобы ждать, когда захваченные потоком загрязнения всплывут (а они могут и не всплыть), предложен динамический способ их разделения - использован эффект захвата плавучих включений при под-ныривании струи под перегородку вихревой зоной непосредственно за перегородкой. Промежуточный коридор между перегородками с подъемным движением жидкости будет способствовать обеспечению сохранения всплывающего на поверхности после очередного поворота на горизонталь.

Дополнительные сливы, разгружая основной, создают, кроме того, благоприятные конвективные токи, препятствующие уносу всплывающих загрязнений вглубь потока.

Уверенной оптимизации работы установки по данному пункту формулы изобретения должна предшествовать опытная ее эксплуатация, в период которой необходимо установить:

- влияние дополнительных сливов на качество подготовки воды и устойчивость работы установки; оптимальную степень прикрытия задвижек на сливах;

- допустимый слой нефти перед ее сбросом, формирование опасной для качества очистки концентрации загрязнений и область их накопления (устанавливается с использованием зонда-поворотника);

- влияние уровня жидкости в отстойнике на качество очистки, предельно допустимые уровни;

- влияние режима дестабилизации на качество очистки.

Установленные в процессе опытной эксплуатации значения параметров вносятся в регламент по эксплуатации. В частности, установление допустимой зоны загрязнения в секциях позволяет своевременно принять меры для устранения нарушений, не допуская попадания загрязнений в напорный водовод (магистраль).

Байпас успокаивает гидродинамическую обстановку в буферной емкости и превращает ее в очередную ступень доочистки. Перенос регулятора уровня на байпас за счет расширения рабочей зоны регулирования от полностью закрыт до полностью открыт повышает точность управления уровнем.

5.10. В десятом пункте формулы изобретения предлагается установка подготовки пластовой воды с трубным водоочистителем, позволяющая реализовать идею динамического отстоя полностью. Схема трубного водоочистителя приведена на фиг.9.

Входная часть трубного водоочистителя совпадает с конструкцией вынесенной части отстойника, приведенного на фиг.4 и описанного в предыдущем п.5.9. В частности, так же оформлен вход из дестабилизаторов в вертикальную трубу 25 выноса загрязнений на поверхность, оголовок 26, наклонные лотки 21, трубы самотечного движения очищаемой воды 27. Вместо емкости самотечные трубы подсоединяются к успокоителю 30, соединенному с поперечной камерой разделения сред 31 шириной не менее 1 мм. На входе в камеру в верхней части канал имеет газоограничительную перегородку 14. Поперечная камера в верхней своей части может иметь нефтесборный колпак, аналогичный рассмотренному в п.5.8, с той же начинкой (нефтеотвод, датчики уровня нефть - газ или же поплавковый разгруженный клапан-отсекатель, датчик межфазного уровня нефть - вода, датчик предельного уровня, зонд-поворотник для контроля датчиков и их настройки). Впрочем, эту роль может выполнять и верхняя часть камеры разделения сред. В нижней части поперечной камеры разделения сред присоединены три трубы опускного движения 32 очищаемой воды, соединенные снизу общим коллектором 33, из которого и отводится очищенная вода.

В вышеизложенной конструкции реализуются идеи конструкции, изложенной в п.8, но в более динамичных условиях. Так, участок доочистки воды гораздо короче, уменьшен до 1-2 м, но увеличены в глубину как зона отделения нефти, так и зона доочистки воды. В камере разделения сред на границе загрязненная - чистая вода важно избежать уноса загрязнений внутрь очищенной воды. Самотечный участок до успокоителя рассчитывается из условия обеспечения средней скорости не более 0,5 м/с. Вода, подныривающая под перегородку, создает за ней вихрь, способствующий захвату плавучих включений, и приповерхностный слой, имеющий максимальную скорость по глубине до перегородки, резко тормозится. Торможение слоев вызывает силу, действующую на микровключения, направленную к поверхности торможения, т.е. подъемная сила как бы усиливается.

При этом задача успокоителя снизить скорость по меньшей мере вдовое без отрыва придонного пограничного слоя, порождающего продольные вихри, размывающие поверхностный слой. Задача участка со свободной поверхностью, включая успокоитель, обеспечить сбор всех плавучих загрязнений в слой, поднимаемый при торможении потока в поперечной камере вверх. Придонный слой должен к моменту входа в поперечную камеру полностью очиститься. Тогда вихри, появляющиеся в нижней части потока, не будут загрязнять отводимую воду. Сформировавшаяся на свободной поверхности до перегородки нефтяная пленка будет при прорыве газа под перегородкой обволакивать пузырьки и после отрыва последних нефть будет транспортироваться вместе с пузырьком до границы нефть - газ (см. фиг.10).

Таким образом, практически все нефтяные загрязнения оказываются в верхней части поперечной камеры. Самые крупные из них будут всплывать, захватывая более мелкие. Самые мелкие будут витать до момента встречи с более крупными пузырьками. Попадая в вихри, они устремляются к центру последних, а так как их много, то сталкиваясь, они будут сливаться, укрупняться, а затем всплывать. В верхней половине камеры разделения автоматически происходит накопление такого количества микрокапель, что вероятность их слияния и последующего всплытия близка к единице. В средней - навстречу медленно поднимающимся пузырькам и микрокплям нефти будет двигаться вода, захваченная предыдущими, так что в верхней половине камеры разделения в среднем создаются идеальные условия для наиболее полного разделения нефти и воды - в противотоке. Противоток лежит в основе известных способов интенсификации разделения сред - так называемой “промывке” нефтяных эмульсий и гидрофобной очистке пластовых вод. В то же время в верхней половине камеры неизбежны продольные вихри, приводящие к чередованию прямотока, выносящего наиболее крупные пузыри на поверхность, и противотока, способствующего укрупнению пузырей.

Смещение труб опускного движения жидкости относительно входного отверстия камеры разделения по вертикали порождает поворот потока очищенной воды, создающей дополнительное препятствие для уноса плавучих загрязнений из верхней половины предкамеры. Случайно же захваченные микрокапли при опускном движении оттесняются к стенкам, в зону наименьших скоростей, тормозятся архимедовой силой, пока не столкнутся с другой частицей, чтобы укрупниться и всплыть.

Качество очистки зависит от режима работы установки. Ожидается, что до определенного расхода качество очистки будет наибольшим (см. таблицу в п.5.1). Затем появится периодический захват загрязнений при сохранении средней весьма высокой степени очистки и, наконец, когда не удастся создать предварительно расслоенный поток, качество очистки существенно ухудшится. Предполагается эксплуатация установки в области границы устойчивости режима.

Изобретение относится к очистке пластовых вод, добываемых вместе с нефтью и отделяемых от нее в процессах обезвоживания, позволяющего сбрасывать ее в море. Способ включает подачу воды через дестабилизаторы восходящим потоком в отстойники и отстой воды. Дестабилизацию проводят при определенном давлении на входе в дестабилизатор. Дестабилизатор содержит конфузор, горловину и диффузор, выполненные в виде сменной детали из материала, стойкого к кавитационной эрозии. Установка содержит дестабилизаторы, отстойник, буферную емкость. Отстойник имеет дополнительный слив уменьшенного диаметра и регулятор уровня на выходе газа. Буферная емкость может иметь внутри приемную свечу определенной высоты, имеющей снаружи две наклонных пластины. Технический результат состоит в повышении качества очистки пластовой воды. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.

1. Способ самофлотационной очистки пластовой воды от нефти, нефтепродуктов и мехпримесей, удерживаемых ими, включающий подачу всей очищаемой воды или ее части через дестабилизаторы, а затем восходящим потоком в отстойник, динамический и(или) статический отстой воды и собранных загрязнений, отвод очищенной воды, отделенных загрязнений и выделившегося газа, отличающийся тем, что дестабилизацию проводят в режиме

Р_вх≥_{А+В Рвых;}

Р_вых=Р_о+ρ g Δ Z_o-ных≤_{Ркр+CVr²<Ps,}

где А, В и С - эмпирические коэффициенты;

P_вx, Р_вых - давления на входе в дестабилизатор и выходе из него;

Р_о - давление газа в отстойнике;

ρ gΔ Z_o-вых - гидростатическое давление столба жидкости между максимальным уровнем в предкамере и выходом из дестабилизатора;

P_s - давление насыщения воды газом;

Р_кр - прочность очищаемой воды на разрыв;

V_г - скорость жидкости в горловине дестабилизатора.