ИМИТАТОР ТЕПЛОВОГО РАЗДЕЛЕНИЯ ФАЗ Российский патент 2016 года по МПК B01D17/04 G01N33/28 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится, в общем, к маломасштабному имитационному моделированию сепараторов для отделения воды от нефти, таких как ловушки свободной воды, нагревательные обрабатывающие установки и опреснители, которые используются при добыче или обработке нефтяного масла. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу испытания так называемой термической добычи.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Добытые углеводородные текучие среды, такие как сырая нефть и битум, естественно содержат множество несмешивающихся примесей, таких как вода, соли и твердая фаза, которые неблагоприятно воздействуют на транспортные трубопроводы и технологическое оборудование. Типы и количество таких примесей изменяется в зависимости от конкретной углеводородной текучей среды. Кроме того, вода, добытая с жидкой углеводородной текучей средой, независимо от того, образована естественно, добавлена или конденсирована из пара, добавленного в емкость, конечно, также содержит множество несмешивающихся примесей, таких как нефть, органические твердые тела и неорганические твердые тела, которые неблагоприятно воздействуют на производственное использование или дебит воды. Типы и количество этих примесей изменяются в зависимости от конкретной пластовой воды. Естественные или синтетические стабилизаторы эмульсии, такие как асфальтены, соли нафтеновой кислоты, кумароноинденовые смолы, жидкая твердая фаза, промывочные текучей среды и т.п., могут поддерживать взаимное эмульгирование нефтяной и водяной фаз.

[0003] Деэмульгирование, разделение и очищение этих фаз представляют собой необходимые этапы перед последующей обработкой. Данные процессы охватывают множество перемешиваний и расслаиваний плотностью текучей среды в течение различных отрезков времени. Множество растворителей, промывочных текучих сред и/или химических веществ может быть добавлено к любой или обеим фазам для ускорения процесса или повышения качества переработанных текучих сред. Электрические поля высокого напряжения могут быть приложены к нефтяной фазе для ускорения и улучшения обезвоживания. Дополнительная фильтрация может быть применена к водяной фазе для ускорения и улучшения очистки сточных вод. Сконцентрированная эмульсия может быть извлечена из слоистой мезофазы или «песчаного слоя» между этими двумя фазами в разделителе и очищена в центрифуге для ускорения и улучшения разделения. Во всех этих процессах, в общем, добавляется тепло для повышения температуры текучих сред и снижения вязкости текучих сред. Для тяжелой нефти, нефть и битум, температура часто поднимается выше точки кипения воды или легких фракций нефти в растворителе, добавленном к нефти. Такая особенность требует повышенных давлений для поддержания текучих сред в текучем состоянии.

[0004] Химические вещества, которые могут быть добавлены для ускорения и улучшения отдаления воды и твердой фазы из углеводородной фазы, являются общеизвестными в качестве деэмульгаторов, антиэмульгаторов, верхних деэмульгаторов, осушителей, водных пипеток, смачивателей твердых тел или дегазаторов (для чистого топлива). Эти химические вещества могут быть добавлены в нефть или воду, которая находится в контакте с нефтью. Химические вещества, которые могут быть добавлены для ускорения и улучшения отдаления нефти и твердой фазы от водной фазы, являются общеизвестными в качестве осветителей воды, обратимых разжижителей, обратимых деэмульгаторов, обезжиривателей, флокулянтов, коагулирующих реагентов, нефтяных коагуляторов или смачивателей твердых тел. Эти химические вещества могут быть добавлены в воду или, в некоторых случаях, в нефть, которая находится в контакте с водой. Химические вещества, используемые для расщепления песчаной эмульсии, часто называют текучими средами с наполнителями, сепараторами остатка после перегонки или осветителями границы разделения фаз. Химические вещества, используемые для предотвращения осадка твердой фазы на поверхностях, являются общеизвестными в качестве диспергирующих агентов, блокираторов осаждения, или присадок, предохраняющих нефтепродукты от порчи.

[0005] Новые химические вещества обычно подбираются и разрабатываются с использованием простых устройств, таких как набор стеклянных флаконов или трубок, и процесса, называемого «испытание флакона». В самом простом варианте реализации образцы эмульсии и химические вещества добавляются во флакон и взбалтываются. Температура ограничена приблизительно 90°C при атмосферном давлении для препятствования вскипанию воды. Скорость разделения нефти и воды отслеживается по времени путем наблюдения за количеством «свободной» воды, которая собирается в нижней части флакона, и/или за количеством «свободной» нефти, которая собирается сверху флакона, очевидной безпримесностью этих фаз, т.е. «прозрачность» нефти и «чистота» воды, и количеством, неразрывностью фазы и крупнозернистостью эмульсии между свободной водой и свободной нефтью. Вследствие большого количества возможных химических веществ и комбинаций таких химических веществ, которые должны быть испытаны для нахождения подходящего обрабатывающего раствора, и неустойчивой природы новых используемых образцов эмульсии, испытание флакона должно быть выполнено сразу на множестве образцов.

[0006] Указанный в приведенном выше описании способ испытания флакона оказался эффективным, однако при таком способе в достаточной мере не имитируются те условия, которые возникают при высоких температурах и давлениях, применяемых для переработки тяжелой нефти и битума. Было выявлено, что поверхностно-активные вещества, используемые для разделения фаз, а также вещества, присущие добытой нефти и воде, по-разному реагируют на различные температуры.

[0007] Процесс усовершенствованной на основе пара добычи нефти или основанное на пару гравитационное дренирование (SAGD) битума является особенно сложным и значительным для имитирования. При SAGD процессе пар нагнетается в подземный резервуар при температурах до 260°C. Пар нагревает нефть, по мере его конденсации в воду с высокой температурой, и выносит нефть или битум из резервуара в виде эмульсии при температурах до 160°C под давлениями от 100 до 300 фунтов на квадратный дюйм. Для поддержания воды в текучем состоянии при 160°C необходимо давление по меньшей мере 75 фунтов на квадратный дюйм. При такой температуре нефть и вода смешиваются в высокотурбулентный поток в течение от нескольких минут до нескольких часов, и затем, после охлаждения приблизительно до 130°C, разделяются в комплекс емкостей, в которые добавляется углеводородный растворитель, и вода отделяется. Множество вспомогательных веществ для химического разделения добавляется в различных местах по поточным линиям нефтяного/газового месторождения и перед оборудованием и емкостями.

[0008] Кроме того, применялись более сложные способы испытания, использующие встряхиваемые сосуды под давлением для имитации температуры и давления процесса разделения, но стандартные металлические сосуды не обеспечивают возможность выполнения крайне необходимого визуального наблюдения по мере разделения текучей среды. Стеклянные заключенные в кожух сосуды под давлением для горячей нефти могут быть использованы, но они являются объемистыми и дорогими для приобретения, установки и управления - не обладают возможностью одновременного испытания множества средств обработки в условиях месторождения нефти.

[0009] Кроме того, результаты испытаний очень зависят от поверхностных свойств мелкомасштабных испытательных емкостей вследствие непропорционального значения площади поверхности к объему текучей среды. Например, вода может образовывать капли на стекле вокруг нефтяной фазы вместо стекания в водную фазу, лишая возможности измерить ее. И катионные полимеры, обычно используемые для отделения нефти от воды, необратимо адсорбируют на анионные стеклянные поверхности, изменяя поверхность, смачивающую для следующего испытания. Такие полимеры должны быть сожжены, химически или физически, или вытравлен слой стекла. Такие операции могут быть сложными и опасными при выполнении на заключенных в кожух стеклянных резервуарах, особенно в полевых условиях, и могут вызвать повреждения целостности емкости при давлении.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0010] Один вариант реализации настоящего изобретения обеспечивает имитатор теплового разделения фаз для испытания химических веществ. Имитатор содержит поворотный магазин с кольцевым нагревательным блоком, выполненным из теплопроводного материала и установленным с возможностью поворота на основании. Поворотный магазин содержит кольцевой ряд испытательных ячеек для приема множества испытательных флаконов, множество нагревательных элементов, расположенных между ячейками для нагрева теплопроводного материала, и множество термопар, расположенных между ячейками для контроля температуры теплопроводного материала. Каждая ячейка имеет канал освещения и вертикальную щель, расположенные снаружи для обеспечения возможности визуального наблюдения или отображения вертикального образца флакона. Источник освещения совмещен с каналом освещения каждой ячейки в ответ на поворот поворотного магазина.

[0011] Другой вариант реализации настоящего изобретения обеспечивает способ использования имитатора теплового разделения фаз. Данный способ включает добавление текучей среды со смешенной фазой во множество флаконов, добавление по меньшей мере одного химического вещества в каждый из флаконов и имитирование условий теплового разделения фаз. Изображения текучей среды со смешанной фазой в каждом флаконе захватывают и анализируют для определения эффективности по меньшей мере одного химического вещества в ускорении разделения текучей среды со смешанной фазой.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0012] На фиг.1 изображен вид в перспективе нагревательного блока поворотного магазина имитатора.

[0013] На фиг.2 показан вид снизу нагревательного блока поворотного магазина по фиг.1.

[0014] На фиг.3 изображен вид вблизи в поперечном сечении ячейки для флакона в поворотном магазине по фиг.1.

[0015] На фиг.4A показан схематический вид сбоку флакона с крышкой, имеющим разгрузочный клапан и мембранный канал.

[0016] На фиг.4B изображен схематический вид сбоку флакона с крышкой, имеющим разгрузочный клапан и запаянную погружную трубку.

[0017] На фиг.5 показан вид сбоку поворотного магазина по фиг.1, размещенного боком в вибрационном режиме на вибраторе.

[0018] На фиг.6 изображен вид сбоку поворотного магазина по фиг.1, установленного вертикально на вибраторе для обеспечения возможности поворота и просмотра флаконов.

[0019] На фиг.7 показан снимок экрана, изображающий автоматический анализ цифрового изображения текучей среды во флаконе фиг.3.

[0020] На фиг.8 представлена схема автоматизированной системы сбора изображений.

[0021] Соответствующие ссылочные номера обозначают соответствующие части на всех изображениях чертежей.

Подробное описание

[0022] Настоящее изобретение направлено на маломасштабный групповой имитатор процессов отделения нефти и воды, обеспечивающий возможность одновременного испытания множества химических веществ с использованием недавно добытой эмульсии, реальных температур процесса, перемешивания, продолжительности, добавления и извлечения текучей среды. Множество испытательных флаконов, предпочтительно идентичных, обеспечивают возможность одновременного выполнения анализа конкретной эмульсионной композиции с использованием нескольких различных химических веществ, концентраций и/или точек добавки, для выявления, какая комбинация обеспечивает наиболее эффективную обработку.

[0023] Имитатор содержит настольный поворотный магазин, выполненный с возможностью поворота вокруг вертикальной оси, содержащий кольцевой нагревательный блок, изготовленный из теплопроводного материала, имеющий испытательные ячейки, упорядоченно размещенные по кругу, для множества флаконов. Каждая ячейка имеет отверстие в нижней части и вертикальную щель внутрь блока для освещения и вертикальную щель наружу для обеспечения возможности визуального наблюдения за вертикальным образцом или частью каждого испытательного флакона.

[0024] Испытательные флаконы опираются в ячейках на резиновые уплотнительные кольца и удерживаются в таком положении с помощью рычажного фиксатора с резиновым наконечником, установленного на верхней части поворотного магазина. Для каждого испытания применяются неиспользованные одноразовые стеклянные флаконы с разрывным давлением выше 240 фунтов на квадратный дюйм. Крышка в каждом сборочном узле флакона содержит разгрузочный клапан с давлением открытия 105 фунтов на квадратный дюйм и разрывным давлением 120 фунтов на квадратный дюйм. Крышка имеет подвижную погружную трубку с компрессионным уплотнением или уплотненный резиновый мембранный канал, который обеспечивает возможность добавления, например, химических веществ и растворителей и возможность извлечения воды и нефти. В одном варианте реализации электрическое поле прикладывается к нефтяной фазе путем соединения погружной трубки с источником высокого напряжения и заземления нагревательного блока.

[0025] Нагревательные элементы вставлены в блок между каждой второй ячейкой для обеспечения симметричного эквивалентного нагрева ячеек. Для управления и контроля температуры, присоединены две термопары: одна термопара, установленная рядом с нагревательным картриджем, передает данные регулятору температуры, а другая термопара, погруженная в текучая среда внутри флакона, проверяет фактическую температуру испытания.

[0026] Поворотный магазин установлен на приподнятом теплоизоляционном основании, имеющем скользкую поверхность, по вертикальной оси таким образом, что каждый флакон может постепенно поворачиваться, поочередно проходя по меньшей мере мимо одного источника освещения, размещенного сзади или снизу флакона. Поворотный магазин имеет по меньшей мере одну теплоизоляционную подъемную рукоять, при помощи которой можно ставить поворотный магазин, а также снимать поворотный магазин и устанавливать его боком на возвратно-поступательном вибраторе, который остается подключенным к питанию для поддержания тепла. Вибратор имеет регулируемый ход и/или частоту, достаточную для воспроизведения колебания в моделируемом процессе.

[0027] Поворотный магазин и основание установлены на держателе, который обеспечивает возможность опрокидывания поворотного магазина и основания набок для встряхивания флаконов в горизонтальном положении. Данный держатель обеспечивает возможность удержания поворотного магазина в вертикальном положении, или положении просмотра, или в горизонтальном положении встряхивания. Поворотный магазин может быть зафиксирован в любом положении посредством стопорного штифта. Такой держатель может иметь шарнир и быть установлен на возвратно-поступательном вибрационном стенде, либо может не входить в комплекс и быть поднят и закреплен на отдельном вибрационном стенде.

[0028] В другом варианте реализации смешивание текучей среды выполняется с помощью присоединенного физически или магнитным способом смесителя в станции смешивания, установленной в неподвижном положении на основании. Флаконы смешиваются последовательно по мере вращения поворотного магазина мимо смесителя. Затем флаконы вращаются мимо места наблюдения с установленным временем после их смешивания. В другом варианте реализации магнитные мешалки размещены под всеми флаконами, и флаконы взбалтываются при одновременном отделении текучей среды и захвате изображений текучей среды.

[0029] В одном варианте реализации формирователь изображений используют для захвата изображений текучих сред, которые делают запись разделения нефти и воды в трубках смешивания. Данные обрабатываются посредством алгоритма, который вычисляет объем и качество фаз во флаконе.

[0030] Имитатор теплового разделения фаз (иногда упоминаемый в настоящем описании как «имитатор») обеспечивает возможность одновременного испытания множества химических веществ. Например, имитатор может использовать недавно добытую эмульсию, и проводить испытание при реальных условиях (то есть, условия, подобные фактическому применению в полевых условиях), таких как температуры процесса, колебания, продолжительности, добавки текучей среды, извлечения текучей среды и их комбинации. Имитатор использует небольшие количества технологической жидкой среды для выполнения экспериментов, тем самым, снижая стоимость транспортировки образцов и удаления. В имитаторе по меньшей мере одно отобранное химическое вещество, такое как химический антиэмульгатор, аппарат для осветления или антифоулянт, добавляется к нефтяной или водной эмульсии, и они смешиваются вместе в условиях, приближенных к условиям их транспортировки по трубопроводам и технологическому оборудованию. Такие условия могут охватывать, например, температуру, величину сдвига, продолжительность смешивания и их комбинации, для имитации реальных условий. Таким образом, нефтяные и водные части эмульсий могут отделяться в условиях, приближенных к условиям разделительных сосудов в полевых условиях. Такие условия разделения могут охватывать, например, температуру, любую дополнительную напряженность электрического поля, которая может быть приложена, продолжительность обработки и их комбинации.

[0031] В приведенном ниже описании настоящее изобретение будет описано подробно со ссылкой на чертежи с использованием предпочтительных вариантов реализации для обеспечения возможности практического применения настоящего изобретения. Несмотря на то, что настоящее изобретение описано в соответствии с этими конкретными предпочтительными вариантами реализации, тем не менее, станет понятно, что настоящее изобретение не ограничено такими предпочтительными вариантами реализации. Напротив, настоящее изобретение содержит многочисленные альтернативные решения, модификации и эквиваленты, как станет очевидно для специалистов в данной области техники при рассмотрении приведенного ниже подробного описания.

[0032] На фиг.1 представлен вид в перспективе поворотного магазина 10 теплового фазового имитатора. Поворотный магазин 10 имеет множество ячеек 12, размещенных в этом поворотном магазине и выполненных с возможностью приема до равного множества испытательных флаконов (см. фиг.6). В представленном варианте реализации поворотный магазин 10 имеет двенадцать цилиндрических ячеек 12, равномерно распределенных по окружности. Нагревательные элементы 14 патронного типа (показано шесть) вставлены в поворотный магазин 10 между каждой второй ячейкой 12. Для измерения температуры блока между ячейками предпочтительно расположена по меньшей мере одна термопара в том положении, в котором отсутствует нагревательный элемент 14. Данная температура указывает степень, до которой был нагрет весь блок. Другая термопара предпочтительно связана по меньшей мере с одним из испытательных флаконов, как раскрыто в приведенном ниже описании относительно фиг.4A. Нагревательные элементы 14 и термопары 15 имеют проводку, которая проходит через изоляционную трубу 16 для электропроводки к регулятору 18 мощности и температуры. Регулятор 18 регулирует температуру поворотного магазина 10 и обеспечивает возможность нагрева ячеек 12, вместе с флаконами и содержащимися в них образцами эмульсии, до температуры, которая наилучшим образом имитирует состояния полевых условий. Соответствующая температура текучих сред в испытательных флаконах обычно будет находиться в диапазоне приблизительно от 100°C до 160°C с тем, чтобы вода в испытательных флаконах не создавала давления более 100 фунтов на квадратный дюйм.

[0033] На фиг.1 также изображен поворотный магазин 10, установленный на приподнятом термоизоляционном основании 20, имеющем скользкую поверхность, по вертикальной оси таким образом, что поворотный магазин 10 может быть повернут, а флакон в каждой ячейке 12 может постепенно совершать поворот один за другим с прохождением заданных мест смешивания или наблюдения. Основание 20 соединено с источником 22 света таким образом, что свет может быть направлен позади и/или ниже места осмотра флакона. Например, могут быть использованы S-образные волоконно-оптические осветители. Однако специалист в данной области техники поймет, что могут быть использованы другие углы и способы освещения. В частности, источник 22 света может производить свет в терагерцах, инфракрасной области спектра, ближней ИК-области спектра, видимом, ультрафиолетовом и/или рентгеновском спектре, и может быть любой конструкции/ известной специалистам в данной области техники. Таким образом, щель 24 в ячейке 12 для флакона обеспечивает возможность наблюдения за процессом разделения фаз с использованием не только спектра видимого излучения, но также и другие части электромагнитного спектра, который может быть предпочтительным для отображения текучей среды. Каждая щель 24 обеспечивает возможность наблюдения за эффектами изменения химических веществ, технологическими текучими средами, растворителями, местами добавления и другими рабочими состояниями, которые присущи разделению фаз. Дополнительные каналы 28 освещения, расположенные на нижней стороне, могут быть обеспечены для освещения ячеек 12 снизу. Кроме того, поворотный магазин 10 имеет по меньшей мере одну теплоизолированную подъемную рукоять 26, при помощи которой поворотный магазин можно расположить на основании или снять с него.

[0034] На фиг.2 представлен вид снизу нагревательного блока 10 поворотного магазина по фиг.1. Нижние каналы 28 освещения показаны размещенными снизу каждой ячейки в поворотном магазине. Ось 30 поворота обеспечена в центре по оси поворотного магазина 10 для удержания поворотного магазина на основании в течение вращения. Установочная плита 32 прикреплена к нижней части поворотного магазина 10 для обеспечения механического соединения со средствами наклона. Например, средства наклона могут содержать две скобки 34, прикрепленные к установочной плите 32 и содержащие места 36 поворота и отверстие 38 для фиксации пальцев.

[0035] На фиг.3 изображен схематический вид ячейки 12 для флакона в поворотном магазине по фиг.1. Ячейка 12 для флакона содержит наружное смотровое окно 24, внутренний канал 40 освещения и нижний канал 28 освещения. Испытательный флакон 60 в ячейке 12 опирается на резиновое уплотнительное кольцо 52 и удерживается в рабочем положении при помощи резинового заостренного рычажного фиксатора 54, установленного на верхней поверхности 55 поворотного магазина. Предпочтительной резиновой смесью выступает силикон. Блок нагревателя поворотного магазина (то есть, ячейка 12) и фиксатор 54 также могут функционировать в качестве вспомогательных средств герметичной защиты при маловероятном случае разрыва флакона 50.

[0036] Поворотный магазин может быть повернут таким образом, чтобы внутренний канал 40 освещения совпадал с внутренним оптическим источником 41 света, и/или нижний канал 28 освещения совпадал с нижним оптическим источником 43 света. При расположении поворотного магазина в таком положении может легко визуально наблюдать состояние фаз в пределах конкретного флакона 60. Тем не менее, имитатор предпочтительно содержит формирователь 44 изображений, который совпадает по меньшей мере с одним источником 41, 43 света. Формирователь 44 изображения может захватывать изображение фаз в конкретный момент времени в течение испытания. При неоднократном захвате таких изображений в течение продолжительности испытания можно контролировать и анализировать, сколько переменных воздействует на фазы. Путем захвата подобных изображений для каждого из флаконов можно контролировать, анализировать и сравнивать свойства по меньшей мере одного химического вещества, по меньшей мере одной концентрации и т.п.

[0037] На фиг.4A показан схематический вид сбоку флакона 60 с крышкой 64, имеющей разгрузочный клапан 68 и мембранный канал 66. Крышка 64 флакона может быть соединена резьбой с корпусом 62 флакона для герметичного присоединения крышки 65 флакона к кромке 63 флакона при помощи уплотнительного кольца 66 между ними. Крышка 65 оснащена разгрузочным клапаном 67 с давлением сбрасывания 105 фунтов на квадратный дюйм и разрывным внутренним давлением 120 фунтов на квадратный дюйм (половина сопротивления на разрыв флакона). Такой предел давления в 105 фунтов на квадратный дюйм обеспечивает возможность использования температур воды до 172°C без кипения. Крышка 65 также имеет мембранный канал 68. Крышка 65 по меньшей мере одного из флаконов 60 также оснащена термоэлектрическим зондом 69 для измерения температуры текучей среды флакона. Крышка 65 может иметь отдельное отверстие, предназначенное для термоэлектрического зонда, или термоэлектрический зонд может проходить через мембранный канал 68.

[0038] Мембранный канал 68 может представлять собой, например, самоуплотняющийся мембранный канал, рассчитанный для удержания 105 фунтов на квадратный дюйм. Такая особенность обеспечивает возможность добавления химических веществ и растворителей, к соответствующей фазе и обеспечивает возможность выборочного извлечения нефти или эмульсии мезофазы с использованием соответствующим образом откалиброванным шприцем. Впрыскивание различных текучих сред с помощью различных шприцов исключает мертвые объемы и взаимное загрязнение относительно использования постоянной погружной трубки.

[0039] На фиг.4B показан схематический вид сбоку флакона 60 с крышкой 65, имеющим разгрузочный клапан 67 и запаянную погружную трубку 70. Погружная трубка 70 может быть запаяна с использованием компрессионного уплотнения 72. Другие свойства флакона 60 и крышки 65 такие же, как на фиг.4A.

[0040] Подвижная погружная трубка 70 может быть поднята или опущена до любого необходимого положения во флаконе. Такая особенность обеспечивает возможность добавления химических веществ и растворителей к соответствующей фазе, и обеспечивает возможность выборочного извлечения воды, нефти или эмульсии мезофазы таким образом, как задано моделируемым процессом. Пружинный хомутик использован для удержания погружной трубки, в случае если ее обжимной соединительный элемент ослабнет. В одном варианте реализации погружная трубка 70 электрически изолирована путем использования непроводящих соединительных элементов и изолирования внешнего открытого металла. Политетрафторэтилен (PTFE) или полиэфирэфиркетон (PEEK) являются хорошими материалами для такой изоляции, а также для резьбовой части крышки. Таким образом, погружная трубка может быть соединена с высоковольтным проводом трансформатора 74. Далее, электрическое заземление поворотного магазина 10 наложит радиальное электрическое поле по всему масляному слою. Для лучшего сосредоточивания такого поля длина погружной трубки может быть подогнана к толщине масляного слоя. Напряжения 5-10 кВ при частоте 60 Гц достаточно для колебания капелек воды в нефти для дестабилизации эмульсии подобно полноразмерным коагуляторам на основе электрического поля. Также могут быть использованы частоты, отличные от частоты 60 Гц, подобно некоторым промышленным коагуляторам. Подходящим коммерчески доступным трансформатор является трансформатор модели A10-LA2 с рабочими характеристиками 10 кВ и 23 мА от Dongan. Надлежащим образом изолированные высоковольтные провода и вставные соединители для направления напряжения к погружной трубке 70 также коммерчески доступны.

[0041] Испытательный флакон 60, в частности корпус 62 флакона, может быть изготовлен из стекла или другого по существу прозрачного материала, такого как кварц, буровой алмаз, сапфир или прозрачного жаропрочного пластика. Прозрачный материал использован для обеспечения возможности визуального или фотографического контроля оператором за разделением фаз образцов для получения результатов испытания. Кроме того, необходимо, чтобы материал флакона имел электрическое сопротивление для предотвращения любой значительной электропроводности в случае приложения электрического поля по всей нефтяной фазе. При использовании многослойного пластика внутренняя поверхность должна быть гидрофильной для обеспечения возможности сплошного потока капелек к нижней поверхности.

[0042] Стенки флакона обладают достаточной толщиной для предотвращения разрушения при нормальном использовании в имитаторе теплового разделения фаз. Для проведения испытаний температур воды вплоть до 170°C без вскипания воды необходима герметизация приблизительно до 100 фунтов на квадратный дюйм. Для обеспечения высокого коэффициента безопасности флакон может обладать сопротивлением на разрыв, составляющим по меньшей мере 200 фунтов на квадратный дюйм. Для обеспечения этого, как правило, достаточно толщины стенки по меньшей мере из двух миллиметров боросиликатного стекла. Объем флаконов может измениться, но размер и форма должны соответствовать ячейкам для флаконов в поворотном магазине 10. Обычно достаточный объем составляет приблизительно 100 мл.

[0043] Для обеспечения целостности флакона и не содержащих загрязнения поверхностей для каждого испытания должен быть использован новый флакон вместо попытки очистить или повторно использовать флакон. Такие флаконы могут представлять собой серийно выпускаемые флаконы, сформированные станками, со стандартной резьбой, которые коммерчески доступны по достаточно невысокой стоимости. Такой флакон был испытан, и было выявлено, что он обладает давлением взрыва больше фунтов на квадратный дюйм.

[0044] На фиг.5 изображен вид сбоку имитатора 90 с поворотным магазином 10 по фиг.1, размещенным (по направлению оси) на боку в режиме встряхивания на вибрационном стенде 80, содержащим вибратор 82 с регулятором 84 скорости и времени. Имитатор может также содержать устройство смешивания и взбалтывания текучей среды.

[0045] Устройство взбалтывания на фиг.5 представляет собой вибрационное возвратно-поступательное устройство 82 с держателем 92 для установки поворотного магазина 10 боком, флаконы (не показаны) горизонтально удерживаются в магазине фиксаторами (см. фиг.3) для функционирования в режиме встряхивания. В качестве альтернативы на фиг.6 поворотный магазин 10 расположен в режиме наблюдения в вертикальном положении.

[0046] Вибрационное возвратно-поступательное устройство предпочтительно не имеет локтевого или коленчатого движения, криволинейного по отношению к его ходу (в отличие от типичного вибрационного устройства для краски), поскольку оно взбалтывало бы интенсивнее верхние флаконы, чем флаконы, расположенные в нижней части. Предпочтительно, вибратор 82 обеспечивает средство для изменения длины хода и/или частоты взбалтывания для обеспечения возможности регулирования степени взбалтывания для имитирования турбулентности в выкидных линиях, теплообменниках, статических смесителях и разделительных сосудах. Расстояние хода, составляющее приблизительно до 8 см, и частота, составляющая приблизительно до 4/с (240 об/мин), в общем достаточны. Продолжительность взбалтывания регулируется любым традиционным таймером электронного устройства, таким как регулятор 84, подходящим для точного определения времени включения/выключения электроприбора. Поворотный магазин 10 может оставаться соединенным с регулятором 18 мощности и температуры (см. фиг.1) при взбалтывании для обеспечения возможности поддержания температуры в течение неопределенного времени, но на протяжении процесса фактического смешивания.

[0047] В другом варианте реализации использовано по меньшей мере одно устройство с переменной скоростью смешивания или встряхивания, физически или магнитным способом соединенное с пластинкой, лопаткой, лопастью или другим элементом смешивания в каждом флаконе. Смешивание текучей среды может быть выполнено в станции смешивания, установленной в неподвижном положении на основании. Смешивание флаконов выполняется последовательно, поскольку поворотный магазин поворачивается мимо смесителя. Затем флаконы вращаются мимо места наблюдения для записи изображений с установленным временим после их смешивания. В другом варианте реализации смесители установлены под всеми ячейками для флаконов, и смешивание текучей среды осуществляется в течение разделения текучих сред и записи изображений.

[0048] Имитатор 90 содержит средства наклона, которые могут быть приведены в действие вручную или автоматически. Как показано, средства наклона содержат монтажный держатель 92 и откидывающийся держатель 94, соединенные конструктивным плечом 96. Поворот конструктивного плеча 96 относительно монтажного держателя 92 и поворот откидывающегося держателя 94 относительно конструктивного плеча 96 может быть обеспечен пневматическим цилиндром или другим известным движущим устройством. Средства наклона предпочтительно выполнены с возможностью крепления всего поворотного магазина к вибрационному испытательному стенду 80 и возможностью управляемого перемещения поворотного магазина 10 из положения взбалтывания фиг.5 в положение просмотра фиг.6. Кроме того, средства наклона предпочтительно содержат отверстие 95 в откидывающемся держателе 94, отверстие 97 в монтажном держателе 92 и стопорный штифт 99. Стопорный штифт 99 может быть вставлен в отверстия 95, 97 при совмещении отверстий 95, 97, как изображено на фиг.6, для крепления поворотного магазина в вертикальном или в горизонтальном положении. В частности, в вертикальном положении стопорный штифт может предотвращать непреднамеренное опрокидывание поворотного магазина в течение испытания.

[0049] На фиг.6 показан вид сбоку имитатора 90 с поворотным магазином 10 в вертикальном положении, расположенного сверху вибрационного испытательного стенда. В данном положении поворотный магазин 10 может быть повернут на своей оси для простоты просмотра флаконов и позиционирования флаконов рядом с источником освещения, таким как нижней источник 43 освещения. В таком положении каждый из флаконов ориентирован вертикально таким образом, что разделение фаз происходит вертикально с осью флаконов. Щели 24 обеспечивают возможность визуального наблюдения, а также возможность использования формирователя изображений или других типов устройств для измерения положения или качества фаз во флаконах. Отверстия 95, 97 предпочтительно размещены таким образом, что они совмещаются при размещении поворотного магазина 10 в положение просмотра по фиг.6. Соответственно, стопорный штифт может быть вставлен в отверстия для закрепления поворотного магазина в этом положении.

[0050] На фиг.7 представлен снимок экрана, изображающий автоматизированный анализ цифрового изображения 100 текучей среды во флаконе на фиг.3. В одном варианте реализации формирователь изображений использован для записи разделения нефти и воды в испытательных флаконах. Согласно фиг.3 формирователь 44 изображений может представлять собой цифровую камеру с высоким разрешением, установленную перед освещенным основанием, с интегральной микросхемой формирователя сигналов изображения (например, прибор с зарядовой связью или упорядоченно размещенных фотоумножителей), отображенной на вертикальном образце флакона 60, который видим через щель 24. Формирователь изображений может быть приведен в действие вручную или посредством использования управляющего устройства, синхронизированного с автоматическим поворотом поворотного магазина для выполнения записи изображений в необходимые временные интервалы таким образом, что оператор не должен присутствовать в течение всего времени, необходимого для разделения эмульсии. Данные с цифрового изображения легко обрабатываются посредством алгоритма, который вычисляет объем и качество фаз во флаконе, как показано на снимке экрана фиг.7. Соответственно, фотография и анализ изображения могут быть использованы вместо визуального осмотра для собора данных.

[0051] На фиг.8 показана схема автоматизированной системы 110 сбора изображения. В показанном варианте реализации система 112 сбора данных и управления выдает управляющий сигнал на управляющее устройство 114 двигателя. Затем управляющее устройство 114 управляет трехфазным редукторным двигателем 116, который поворачивает поворотный магазин 10. Положение поворотного магазина может быть дополнительно зарегистрировано и указано посредством сигнала 118, передаваемого назад в систему 112 управления. При размещении поворотного магазина таким образом, что выбранный флакон совмещен со ступенью освещения, система управления 112 выдает инструкции на камеру 44 с использованием макролинзы 120 для захвата цифрового изображения и отправки полученных данных в компьютер, такой как персональный компьютер 122. Компьютер 122 может принимать вводимые данные от пользователя посредством клавиатуры 124 или другого устройства ввода. Компьютер может дополнительно создать выводные данные 126, включая профиль отображения для камеры и данные о морфологии изображения.

[0052] Настоящее изобретение также направлено на способ использования имитатора теплового разделения фаз для осуществления выбора химических веществ для теплового разделения фаз. В одном варианте реализации используется свежая эмульсия, которая сформирована в моделируемой системе теплового разделения фаз, и количество нефти и воды, которые отделяются от эмульсии в зависимости от времени, регистрируется для вычисления скорости разделения. Остаточные примеси, по-прежнему содержащиеся в каждой фазе (нефть и твердая фаза в воде, вода и твердая фаза в нефти), и объем конденсированного «крупнозернистого песчаника» эмульсии между этими двумя фазами также регистрируются и преобразовываются в числовой масштаб.

[0053] Более быстрое разделение при испытании партии создает зауженную конденсированную дисперсионную высоту текучей среды, проходящей через фактический разделительный сосуд, обеспечивая большее время пребывания для откачки беспримесных фаз и облегчая управление уровнем раздела фаз. Остаточные примеси ограничивают конечное качество созданных беспримесных фаз, и остаточная песчаная эмульсия во флаконе будет образовываться в разделителе в течение долгого времени.

[0054] При выполнении испытаний со свежей эмульсией из трубопровода, находящегося под давлением, образец эмульсии должен быть взят с достаточным противодавлением и охлаждением, что предотвращает непреднамеренный сдвиг или смешивание в мелкодисперсную эмульсию (сдвиг или импульсная дисперсия) или крупнозернистую эмульсию (коагуляция сдвига), чем существует в трубопроводе, поскольку это часто необратимо. При наличии двух свободных фаз в образце, такие фазы должны быть разделены в образце и затем повторно воссоединены в каждом флаконе для формирования консистенции. Если образец активно разделяется, его следует поддерживать размешанным при распределении в каждый испытательный флакон.

[0055] Образец добываемой текучей среды должен быть взят из определенного места непосредственно перед первой химической добавкой, которая в данный момент имитируется. Для каждой последующей части процесса (например, выкидная линия, теплообменник, смеситель растворителей, путевой водоотделитель, нефтеочиститель или коагулятор электрического поля) ключевые условия, воздействующие на разделение фаз (например, температура, турбулентный режим течения и линейная скорость, продолжительность потока или время пребывания, химическая или разжижающая добавка, удаление свободной воды или нефти, напряженность электрического поля), должна быть записаны и имитироваться в имитаторе технологического процесса. Соответственно, имитатор теплового разделения фаз обеспечивает оператору возможность имитации этих полезных параметров.

[0056] В приведенном ниже описании представлена типичная процедура:

1. Добавление образцовой текучей среды и средств химической обработки во флаконы.

2. Герметичное запечатывание флаконов крышками в сборе.

3. Размещение собранных узлов флаконов в ячейки в поворотном магазине и закрепление их фиксаторами.

4. Подключение регулятора температуры к мощности, потребляемой от сети.

5. Выставление заданного значения на 120°C, и обеспечение возможности уравновешивания температуры текучей среды приблизительно до 100°C.

6. Проверка всех флаконов и герметичности соединительных элементов (отсутствие вскипания).

7. Увеличение заданного значения до максимальной запланированной температуры, приблизительно на 20°C выше максимальной запланированной температуры текучей среды (<170°C), и обеспечение возможности температуре текучей среды уравновеситься (приблизительно 60 минут).

8. Установка поворотного магазина на вибраторе и встряхивание аналогично колебанию, которое текучая среда получала бы в процессе в течение всей продолжительности.

Примеры

a. Ламинарный поток, 1 см/с: Выбирается 60 об/мин, длина хода на 1 см;

b. Турбулентный поток, 2 см/с: Выбирается 120 об/мин, длина хода на 2 см;

c. Турбулентный поток, 20 см/с: Выбирается 240 об/мин, длина хода на 8 см.

9. Возврат поворотного магазина на основание и поворот по флаконам для записи разделения текучей среды.

10. Добавление в подходящее время дополнительного химического вещества или растворителя во флаконы сквозь мембрану с помощью газонепроницаемого шприца.

11. По истечении некоторого периода времени имитации условий первого разделителя процесса, используют газонепроницаемый шприц для перемещения соответствующей фазы текучей среды через мембрану в следующий сепаратор по порядку. Например, после имитации ловушки свободной воды, нефтяную фазу перемещают в другой флакон для имитации нефтеочистителя, или водную фазу перемещают в другой флакон для имитации бака для отгона легких фракций.

12. Повторение процедуры для переданной текучей среды, используя параметры, соответствующие следующему сепаратору.

[0057] Терминология, используемая в настоящем описании, предназначена только для описания конкретных вариантов реализации, а не для ограничения настоящего изобретения. Использованные в настоящем описании единственные формы также охватывают множественные формы, если иное явно не оговорено. Кроме того, будет понятно, что термины «содержит» и/или «содержащий», при использовании в настоящем описании, определяет наличие указанных признаков, целых чисел, этапов, операций, элементов, компонентов и/или групп, но не исключает наличия или дополнения по меньшей мере одного другого признака, целого числа, этапа, операции, элемента, компонента и/или их группы. Термин «предпочтительно», «предпочтительный», «дополнительно», «может» и подобные термины использованы для указания, что предмет, условие или этап, на который сделана ссылка, является дополнительным (не требуемым) признаком настоящего изобретения. Соответствующие структуры, материалы, действия и эквиваленты всех средств или этапов плюс функциональные элементы, представленные в пунктах формулы изобретения, предназначены для охвата любой структуры, материала или действия для выполнения функции совместно с другими заявленными элементами. Описание настоящего изобретения было представлено для иллюстрации и пояснения, но оно не должно рассматриваться как полное или ограничивающее настоящее изобретение в той форме, как оно раскрыто. Для специалистов в данной области техники будет очевидно, что возможно множество модификаций и изменений, не отступая от объема и сущности настоящего изобретения. Вариант реализации был выбран и описан для лучшего пояснения принципов настоящего изобретения и практического применения, и для обеспечения возможности понимания другими специалистами в данной области техники настоящего изобретения для реализации различных варианты реализации с различными модификациями, которые подходят для конкретного рассмотренного применения.

Изобретение относится к имитационному моделированию сепараторов отделения воды от нефти, более конкретно к способу испытания термической добычи. Раскрыт имитатор теплового разделения фаз и способ испытания химических веществ. Имитатор содержит поворотный магазин с кольцевым нагревательным блоком (10), установленным с возможностью поворота на основании (20). Поворотный магазин содержит кольцевой ряд испытательных ячеек (12) для приема множества испытательных флаконов (60), множество нагревательных элементов (14) и термопары (15), расположенные между указанными ячейками. Каждая ячейка имеет канал (40) освещения и вертикальную щель (24), расположенные снаружи для обеспечения возможности визуального наблюдения или отображения вертикального образца флакона. Источник (41) освещения совмещен с каналом освещения каждой ячейки в ответ на поворот поворотного магазина. Способ включает добавление текучей среды со смешанной фазой во множество флаконов, добавление химического вещества в каждый флакон и имитирование теплового разделения фаз. Изображения текучей среды в каждом флаконе захватывают и анализируют для определения эффективности по меньшей мере одного химического вещества. Изобретение позволяет обеспечить возможность одновременного испытания множества химических веществ с использованием недавно добытой эмульсии, реальных температур процесса, перемешивания, продолжительности, добавления и извлечения текучей среды. 2н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Имитатор теплового разделения фаз для испытания химических веществ, содержащий:
поворотный магазин с кольцевым нагревательным блоком, выполненным из теплопроводного материала и установленным с возможностью поворота на основании, причем поворотный магазин содержит:
- испытательные ячейки, упорядоченно размещенные по кругу, для приема множества испытательных флаконов,
- множество нагревательных элементов, расположенных между указанными ячейками, для нагрева теплопроводного материала и
- множество термопар, расположенных между указанными ячейками, для контроля температуры теплопроводного материала; причем
каждая ячейка имеет канал освещения и вертикальную щель, расположенные снаружи для обеспечения возможности визуального наблюдения или отображения вертикального образца флакона; и
источник освещения, совмещенный с каналом освещения каждой ячейки в ответ на поворот поворотного магазина.

2. Имитатор теплового разделения фаз по п.1, в котором каждая ячейка имеет размер, обеспечивающий возможность приема испытательного флакона, который выполнен с возможностью просвечивания освещением и возможностью выдерживания внутреннего давления, составляющего по меньшей мере до 105 фунтов на квадратный дюйм (723,9 кПа) при 170°C.

3. Имитатор теплового разделения фаз по п.1, дополнительно содержащий:
множество фиксаторов, прикрепленных к поворотному магазину, причем каждый фиксатор размещен с обеспечением возможности выборочного закрепления испытательного флакона на месте в одной из ячеек.

4. Имитатор теплового разделения фаз по п.3, в котором поворотный магазин прочно соединен с держателем, установленным на вибрационной платформе.

5. Имитатор теплового разделения фаз по п.4, в котором держатель, установленный на вибрационной платформе, обеспечивает возможность перемещения поворотного магазина между горизонтальным вибрационным положением и вертикальным положением просмотра.

6. Имитатор теплового разделения фаз по п.3, дополнительно содержащий:
магнитный смеситель, выполненный с возможностью совмещения снизу по меньшей мере с одной ячейкой и магнитно соединяемый с устройством во флаконе для обеспечения смешивания текучей среды во флаконе.

7. Имитатор теплового разделения фаз по п.1, в котором испытательные ячейки, упорядоченно размещенные по кругу, расположены на расстоянии друг от друга под равными углами, а магнитный смеситель и источник освещения размещены с обеспечением возможности одновременного совмещения с соответствующей одной из испытательных ячеек.

8. Имитатор теплового разделения фаз по п.1, в котором источник освещения испускает ближнее инфракрасное излучение.

9. Имитатор теплового разделения фаз по п.1, дополнительно содержащий:
уплотняемую мембрану в крышке, выборочно прикрепляемой к одному из флаконов, причем мембрана обеспечивает возможность добавления и удаления химических веществ и технологических текучих сред с использованием иглы и шприца.

10. Имитатор теплового разделения фаз по п.1, дополнительно содержащий:
подвижную погружную трубку с компрессионным уплотнением, проходящую через крышку, выборочно прикрепляемую к одному из флаконов, причем погружная трубка обеспечивает возможность добавления и удаления химических веществ и технологических текучих сред.

11. Имитатор теплового разделения фаз по п.10, в котором подвижная погружная трубка электрически изолирована и соединена с источником высокого напряжения для наложения электрического поля на нефтяную фазу во флаконе, расположенном в одной из ячеек, которая электрически заземлена.

12. Имитатор теплового разделения фаз по п.1, дополнительно содержащий;
формирователь изображений, размещенный с возможностью совмещения с вертикальной щелью каждой ячейки в ответ на поворот поворотного магазина и захватывающий изображения текучей среды во флаконах.

13. Имитатор теплового разделения фаз по п.12, дополнительно содержащий:
управляющее устройство, имеющее электронную связь с двигателем для управляемого поворота поворотного магазина.

14. Имитатор теплового разделения фаз по п.13, дополнительно содержащий:
датчик для регистрации совмещения испытательной ячейки с формирователем изображений.

15. Имитатор теплового разделения фаз по п.13, в котором управляющее устройство имеет электронную связь с формирователем изображений для выдачи инструкций на формирователь изображений для захвата изображения.

16. Имитатор теплового разделения фаз по п.15, дополнительно содержащий:
вибрационную платформу и
средства наклона, соединенные с вибрационной платформой, причем управляющее устройство имеет электронную связь со средствами наклона для управления перемещением поворотного магазина между горизонтальным вибрационным положением и вертикальным положением просмотра и имеет электронную связь с вибрационной платформой для управления работой вибрационной платформы.

17. Имитатор теплового разделения фаз по п.16, в котором управляющее устройство управляет ходом и частотой вибрационной платформы.

18. Способ применения имитатора теплового разделения фаз по п.1, включающий:
добавление текучей среды со смешенными фазами во множество флаконов;
добавление по меньшей мере одного химического вещества в каждый из указанных флаконов;
имитирование условий теплового разделения фаз;
захват изображений текучей среды со смешанными фазами в каждом флаконе и
анализ захваченных изображений для определения эффективности по меньшей мере одного химического вещества способствованию разделения указанной текучей среды со смешанными фазами.

19. Способ по п.18, согласно которому имитирование условий теплового разделения фаз включает управление температурой и смешивание текучей среды.

20. Способ по п.19, дополнительно включающий:
извлечение образца по меньшей мере одной фазы текучей среды из флакона.