СПОСОБ ДЕГАЗАЦИИ НЕФТИ В СЕПАРАТОРЕ ПЕРВОЙ СТУПЕНИ Российский патент 2007 года по МПК B01D19/00 

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к дегазации нефтеводогазовой смеси в сепараторе первой ступени.

Известны способы дегазации нефтеводогазовой смеси путем стабилизации нефти, т.е. в отборе наиболее летучих углеводородов /1/.

Недостаток данного способа заключается в больших потерях нефти в узлах замера (трапно-замерные установки), на которых обычно установлены негерметичные мерники (при самотечной системе сбора нефти), кроме того, испарение легких фракций провоцирует потери углеводородов и более тяжелых бензиновых фракций.

Наиболее близким способом к технической сущности снижения потерь легких и тяжелых углеводородных фракций можно отнести известное явление - коагуляцию (процесс сближения и укрупнения взвешенных в газе или жидкости мелких твердых частиц, жидких капелек и газовых пузырьков под действием акустических колебаний звуковых и ультразвуковых частот) газовых пузырьков в жидкости, если это явление применить к дегазации нефтеводогазовой смеси на входе сепаратора первой ступени [2].

Недостаток данного способа (в случае применения современных методов возбуждения ультразвука в трубах) заключается в сложности использования ультразвуковых колебаний, например, при использовании магнитострикционного метода (или других методов) - необходима электроэнергия, кабель и генератор ультразвуковых частот.

Задачей изобретения является обеспечение эффективной защиты нефтеводогазовой смеси от потерь легких углеводородов в технологической схеме промыслового сбора, в частности в сепараторе первой ступени.

Техническим результатом предложенного способа является обеспечение эффективной защиты нефтеводогазовой смеси от потерь легких углеводородов в технологической схеме промыслового сбора, который достигается тем, что способ дегазации нефти в сепараторе первой ступени, оборудованном входным штуцером для нефтеводогазовой смеси и выходным газовым штуцером, предусматривает следующие операции: а) размещение внутри входного патрубка по окружности диаметрально противоположно по меньшей мере четырех акустических четвертьволновых резонаторов; б) размещение диафрагмы последовательно акустическим четвертьволновым резонаторам внутри входного патрубка; в) встраивание перед входным штуцером для нефтеводогазовой смеси входного патрубка с акустическими четвертьволновыми резонаторами и диафрагмой; г) генерирование диафрагмой турбулентных вихрей; д) создание низкочастотного звука, возникающего при срыве турбулентных вихрей с диафрагмы; е) трансформация низкочастотного звука в область ультразвука акустическими четвертьволновыми резонаторами; ж) формирование ультразвукового поля стоячих волн в пространстве между акустическими четвертьволновыми резонаторами; з) осуществление коагуляции газовых пузырьков в ультразвуковом поле стоячих волн с последующей дегазацией нефтеводогазовой смеси; и) осуществление слива дегазированной нефтеводогазовой смеси через выходной штуцер для нефтеводогазовой смеси из сепаратора в технологическую линию; к) осуществление выхода газа из входного патрубка в сепаратор с последующим выходом его через выходной газовый штуцер в технологическую линию.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что в заявленном способе дегазации нефти в сепараторе первой ступени используют ультразвуковое поле стоячих волн, трансформируемое из низкочастотных колебаний (генерируемых турбулентными вихрями путем диафрагмы) акустическими четвертьволновыми резонаторами.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Новизна».

Сравнение заявленного решения с другими техническими решениями показывает, что коагуляция газовых пузырьков в жидкости известна [2]. Однако неизвестно, что ультразвук можно создать с помощью четвертьволновых резонаторов.

Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию «Изобретательский уровень».

Основные положения физической сущности для осуществления способа.

1. Поток жидкости по трубопроводу при любых скоростях сопровождается возникновением вихрей, приводящих к появлению шума. Особенно сильный шум возникает при преодолении потоком препятствий (заслонок, решеток, поворотов и т.д.).

2. Преобразование низкочастотного шума в ультразвук.

3. Преобразование низкочастотного шума осуществляется акустическими четвертьволновыми резонаторами, которые размещаются во входном патрубке нефтеводогазовой смеси.

4. Формирование ультразвуковых стоячих волн в пространстве между акустическими четвертьволновыми резонаторами.

5. Использование явления физического процесса коагуляции газовых пузырьков в ультразвуковом поле стоячих волн для дегазации легких фракций углеводородных компонентов нефти.

Покажем возможность использования акустической коагуляции частиц механической примеси в скважинной продукции ультразвуковыми стоячими волнами с последующим осаждением их на забой скважины.

1. Волны и колебательная скорость.

Волновое уравнение, описывающее упругое возмущение, имеет вид /3/

Частным решением уравнения (1) является

где а - смещение частицы среды относительно положения покоя; А - амплитуда смещения; t - время.

Выражение (2) описывает плоскую гармоническую волну частоты f=ω/2π, распространяющуюся в положительном направлении оси х.

Дифференцируя (2) по t, получаем для скорости частицы среды - так называемой колебательной скорости

Следовательно, амплитуда колебательной скорости

Величина U определяет ту максимальную скорость, с которой частицы движутся в процессе колебаний.

Согласно выражению (4) скорость частицы колеблется между этой величиной и нулем.

2. Интерференция волн. Стоячие волны.

Явления, связанные с одновременным существованием в некоторой точке среды нескольких колебаний, называют интерференцией.

Явления интерференции играют важную роль в излучении звука.

Особенно важную роль играет интерференция при распространении двух одинаковых волн в противоположных направлениях. Колебания, распространяющиеся в положительном и отрицательном направлениях по оси х, можно записать в виде

Применяя теорему сложения, получим для результирующей стоячей волны выражение

из которого непосредственно вытекает, что в точках Cos(2πx/λ) обращается в нуль, смещение а тождественно равно нулю; это имеет место при x, равном нечетному числу λ/4. Посередине между этими точками располагаются точки, в которых Cos(2πx/λ) по абсолютной величине максимален; здесь амплитуда смещения в стоячей волне вдвое превосходит амплитуды в исходных бегущих волнах.

Выражение для колебательной скорости в стоячей волне найдем, дифференцируя выражение

Таким образом, узлы и пучности колебательной скорости располагаются в тех же точках, что и узлы и пучности смещения.

3. Давление в стоячей волне.

Обратимся теперь к вопросу о распределении давления в стоячей волне. В волне, распространяющейся в направлении сил оси x, давление p пропорционально изменению смещения вдоль x, т.е. величине d a/dx. Дифференцируя выражение (7) по x, получим

Таким образом, в стоячей волне и звуковое давление содержит узлы и пучности; однако местоположение узлов давления совпадает с положением пучностей смещения и наоборот. Амплитуда давления в пучностях вдвое превосходит амплитуду в исходных бегущих волнах [3].

4. Акустическая коагуляция.

Уже давно было известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в звуковом поле, могут возникать силы притяжения и отталкивания. Для сферических частиц этот процесс был экспериментально и теоретически исследован Кенигом [4] в связи с работами Бьеркнесса [5]. На этом явлении основано отчасти возникновение пылевых фигур в трубках Кундта.

Брандт и Фройнд [6] и Бранд и Гидеман [7] показали, что под действием ультразвуковых волн в аэрозолях мгновенно происходит коагуляция и осаждение частиц.

Брандт и Фройнд изучили подробности процесса оседания частиц микрофотографированием при освещении по методу темного поля.

На основании этих опытов Брандт и Гидеман различают две стадии коагуляции. Вначале частицы принимают участие в колебательном процессе и следуют за движением жидкости между пучностями и узлами колебаний. При этом они в результате столкновений и под действием сил взаимного притяжения слипаются и увеличиваются в размерах. На второй стадии увеличившиеся частицы уже не следуют за звуковыми колебаниями, а совершают хаотические движения, причем в результате новых взаимных соударений и столкновений с меньшими частицами их размеры продолжают увеличиваться, а затем выпадают в осадок.

5. Коагуляция газовых пузырьков в стоячей волне.

Пусть в жидкости с динамической вязкостью η, колеблющейся с амплитудой U_ж и частотой f, находится газовый пузырек с радиусом R и плотностью ρ.

Согласно закону Стокса [3] сила трения, действующая на частицу,

где Δυ - разность скоростей газового пузырька и жидкости.

Согласно формуле (10) скорость частиц жидкости

Движение газового пузырька описывается дифференциальным уравнением

или

Общее решение этого уравнения имеет вид [3]

Не периодический член отображает переходной процесс. Им можно пренебречь, так как коагуляция происходит через такое время, когда переходной процесс не оказывает уже никакого влияния.

Таким образом, амплитуда колебания газового пузырька равна

Степень участия частицы в звуковых колебаниях среды (так называемый коэффициент увлечения) в случае стоячей звуковой волны определяется соотношением

Отношение амплитуд Х_ГП/U_Ж будет тем меньше, чем больше радиус частицы и чем выше частота.

Таким образом, для степени участия частицы механической примеси в колебаниях жидкости определяющей является величина R² f.

Если принять значение Х_ГП/U_Ж =0,8 за границу, до которой частицы механической примеси еще увлекаются звуковыми колебаниями, то из соотношения

получим

Величина Z определяет степень участия частиц механической примеси в колебаниях жидкости.

Таким образом, соотношение (18) позволяет рассчитать частоты, необходимые для создания стоячих волн с целью коагуляции газовых пузырьков.

Согласно приведенным выше положениям физической сущности - достигается акустическая коагуляция газовых пузырьков.

На фиг.1 изображена схема патрубка с акустическими четвертьволновыми резонаторами и диафрагмой для создания ультразвукового поля стоячей волны для осуществления дегазации нефтеводогазовой смеси; на фиг.2 показана схема сепаратора первой ступени с патрубком для дегазации нефтеводогазовой смеси; на фиг.3 показана схема расположения ультразвукового поля стоячей волны в пространстве между акустическим четвертьволновыми резонаторами в патрубке и коагуляция газовых пузырьков.

На фиг.1 изображено: 1 - входной патрубок, внутри которого размещены акустические четвертьволновые резонаторы и диафрагма для создания низкочастотного звука; 2 - направление входного потока нефтеводогазовой смеси в патрубок; 3 - диафрагма; 4 - турбулентные вихри; 5 - низкочастотный звук, возникающий при срыве вихрей с диафрагмы; 6 - звуковое поле стоячих волн в пространстве между акустическими четвертьволновыми резонаторами; 7 - акустические четвертьволновые резонаторы.

На фиг.2 изображено: 1 - входной патрубок, внутри которого размещены акустические четвертьволновые резонаторы и диафрагма для создания низкочастотного звука; 2 - направление входного потока нефтеводогазовой смеси в патрубок; 8 - входной штуцер для нефтеводогазовой смеси; 9 - газ - после дегазации нефтеводогазовой смеси в ультразвуковом поле стоячих волн; 10 - дегазированная нефтеводогазовая смесь; 11 - нефтегазовый сепаратор первой ступени; 12 - выходной газовый штуцер; 13 - выходной штуцер для нефтеводогазовой смеси из сепаратора.

На фиг.3 изображено: 6 - ультразвуковое поле стоячих волн в пространстве между акустическими четвертьволновыми резонаторами; 7 - акустические четвертьволновые резонаторы; 14 - коагуляция газовых пузырьков в ультразвуковом поле стоячих волн.

Пример осуществления способа.

Первая операция. Размещают внутри входного патрубка 1 (фиг.1) по окружности диаметрально противоположно по меньшей мере четыре акустических четвертьволновых резонатора 7 (фиг.1).

Вторая операция. Размещают диафрагму 3 (фиг.1) последовательно акустическим четвертьволновым резонаторам 7 (фиг.1) внутри входного патрубка 1 (фиг.1).

Третья операция. Встраивают перед входным штуцером 8 для нефтеводогазовой смеси (фиг.2) входной патрубок 1 (фиг.1), внутри которого размещены акустические четвертьволновые резонаторы 7 (фиг.1) с диафрагмой 3 (фиг.1).

Четвертая операция. Генерируют диафрагмой 3 (фиг.1) турбулентные вихри 4 (фиг.1).

Пятая операция. Создают низкочастотный звук 5 (фиг.1) турбулентными вихрями 4 (фиг.1) после диафрагмы 3 (фиг.1).

Шестая операция. Трансформируют низкочастотный звук 5 (фиг.1) в область ультразвука акустическими четвертьволновыми резонаторами 7 (фиг.1).

Седьмая операция. Формируют ультразвуковое поле 6 (фиг.1 и фиг.3) стоячих волн между акустическими четвертьволновыми резонаторами 7 (фиг.1).

Восьмая операция. Осуществляют коагуляцию газовых пузырьков 14 (фиг.3) в ультразвуковом поле стоячих волн 6 (фиг.3) с последующей дегазацией нефтеводогазовой смеси.

Девятая операция. Осуществляют слив дегазированной нефтеводогазовой смеси 10 (фиг.2) в сепаратор 11 (фиг.2) с последующим выходом через выходной штуцер 13 (фиг.2) для слива нефтеводогазовой смеси в технологическую линию (не показано).

Десятая операция. Осуществляют выход газа 9 (фиг.2) из патрубка 1 (фиг.2) в сепаратор 11 (фиг.2) с последующим выходом его через выходной газовый штуцер 12 (фиг.2) в технологическую линию (не показано).

Источник информации

1. Каспарьянц К.С. Промысловая подготовка нефти. - М.: Недра, 1966. С.122-130.

2. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Гл. ред. И.П.Голямина. М.: - Советская энциклопедия, 1979. С.161-162 /ПРОТОТИП/.

3. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М.: ИЛ, 1957. - С.23-25, 489-491, 495-497 [ПРОТОТИП].

4. König W., Hydrodynamisch-akustische Untersuchungen, Ann. d. Phys. (3), 42, 353, 549 (1891).

5. Bjerknes C.A. Remarques historiques sur la theori du mouvement d'un ou de plusieurs corps, de formes constantes ou variables, dans un fluide incompfessible; sur les forces apparentes, qui en resultent et sur les experiences qui s'y rattachent, Compt. Rent., 84, 1222, 1309, 1375, 1446, 1493 (1867).

6. Brandt., Über das Verhalten von Schwebstofen in schwingen Gasen bei Schall - und Ultraschallfrequenzen, Kolloid. Zs., 76, 272 (1936).

7. Brandt О., Hiedenmann E., Über das Verhalten von Aerosolen im akustischen Feld, Kolloid. Zs., 75, 129 (1936).

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к дегазации нефтеводогазовой смеси в сепараторе первой ступени. Способ включает следующие операции: размещение внутри входного патрубка по окружности диаметрально противоположно четырех акустических четвертьволновых резонаторов; размещение диафрагмы последовательно резонаторам внутри входного патрубка; встраивание перед входным штуцером для нефтеводогазовой смеси входного патрубка с резонаторами и диафрагмой; генерирование диафрагмой турбулентных вихрей и низкочастотного звука; трансформация низкочастотного звука в область ультразвука резонаторами; формирование ультразвукового поля стоячих волн в пространстве между резонаторами; коагуляция газовых пузырьков в ультразвуковом поле стоячих волн с последующей дегазацией смеси; слив дегазированной смеси через выходной штуцер в технологическую линию; выход газа в технологическую линию. Технический результат состоит в обеспечении эффективной защиты нефтеводогазовой смеси от потерь легких углеводородов в технологической схеме промыслового сбора, в частности в сепараторе первой ступени. 3 ил.

Способ дегазации нефти в сепараторе первой ступени, оборудованном входным штуцером для нефтеводогазовой смеси и выходным газовым штуцером, предусматривающий следующие операции: а) размещение внутри входного патрубка по окружности диаметрально противоположно по меньшей мере четырех акустических четвертьволновых резонаторов; б) размещение диафрагмы последовательно акустическим четвертьволновым резонаторам внутри входного патрубка; в) встраивание перед входным штуцером для нефтеводогазовой смеси входного патрубка с акустическими четвертьволновыми резонаторами и диафрагмой; г) генерирование диафрагмой турбулентных вихрей; д) создание низкочастотного звука, возникающего при срыве турбулентных вихрей с диафрагмы; е) трансформация низкочастотного звука в область ультразвука акустическими четвертьволновыми резонаторами; ж) формирование ультразвукового поля стоячих волн в пространстве между акустическими четвертьволновыми резонаторами; з) осуществление коагуляции газовых пузырьков в ультразвуковом поле стоячих волн с последующей дегазацией нефтеводогазовой смеси; и) осуществление слива дегазированной нефтеводогазовой смеси через выходной штуцер для нефтеводогазовой смеси из сепаратора в технологическую линию; к) осуществление выхода газа из входного патрубка в сепаратор с последующим выходом его через выходной газовый штуцер в технологическую линию.