Внутритрубный сепаратор вихревого типа с системой управления на основе нейронной сети и мобильная установка предварительного сброса воды Российский патент 2023 года по МПК B04C5/00 B01D17/38 

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли, может использоваться в качестве сепарационного устройства в установках предварительного сброса воды, установках подготовки нефти, установках подготовки газа.

Для осуществления сепарации в промысловой практике применяют емкостное оборудование в виде сосудов, работающих под давлением, имеющих форму горизонтально вытянутого цилиндрического объема.

В современных условиях, в активно развивающихся компоновках мобильного исполнения, возникает потребность в осуществлении разделения водонефтегазовых смесей в устройствах более компактных, по сравнению с традиционными металлоемкими гравитационными сепараторами, в более быстром режиме, используя энергию потока текучей среды в трубе. Для этой цели применяется технология внутритрубного разделения мультифазных потоков в поле центробежных сил. Вращательное движение водонефтегазовых смесей в вихревых сепарационных устройствах может быть осуществлено в трубных аппаратах двух типов: подачей потока на лопатки завихрителя, расположенного аксиально оси трубопровода и подачей потока в разделительную трубную камеру через тангенциально расположенный входной патрубок.

Опыт и наработки внутритрубной сепарации в проектах подводных добычных комплексах компаний FMC и Cameron доказали практическую эффективность подобных систем (патент 0002597113 Двухсекционный поточный сепаратор, ФМС СЕПАРЕЙШЕН СИСТЕМЗ, БВ (NL). Так же внутритрубными сепараторами массово внедряется вихревое разделение двухфазных потоков (жидкость/газ) для сепарации углеводородного конденсата и воды от природного или попутного нефтяного газа (как пример, патент RU 2747403 C1 Внутритрубный сепаратор, ООО АЭРОГАЗ).

Разделение водонефтяной эмульсии во внутритрубном центробежном потоке осуществляется за счет разности плотностей двух жидких компонентов смеси. Под воздействием завихрения в турбулентно-закрученном осевом потоке в районе центральной оси вихря происходят процессы массообмена:

- прямое упорядочивание броуновского движения жидкости в жгуте вихря, хаотичные векторы теплового движения молекул выстраиваются строго параллельно оси вращения;

- центробежными силами прямо по центру создаётся зона разряжения с аномальным ускорением потока и увеличением кинетической энергии жидкости в центральной оси вихря;

- в центральной зоне образуется жгут жидкости с меньшей плотностью, направление центрального потока меняется на противоположное вихревому движению жидкости с большей плотностью в пристеночной зоне трубы, происходит процесс сепарирования.

Известно устройство для разрушения водонефтяной эмульсии при транспортировании по трубопроводу (Патент RU2600742C1, МПК C10G 33/06, B01D 17/04, опубл. 27.10.2016), включающее трубопровод перед продольной перегородкой по направлению потока водонефтяной эмульсии оснащенный конусом, сужающимся по направлению потока водонефтяной эмульсии в соотношении площадей оснований конуса 2:1 по направлению потока водонефтяной эмульсии, при этом внутри конуса концентрично установлен шнек, выполненный в виде спиральной пластины, при этом площадь проточной части шнека уменьшается в осевом направлении от входа к выходу, а угол наклона лопастей шнека на выходе меньше 90°, причем на выходе из конуса между шнеком и конусом установлен кольцевой диск, образующий с конусом кольцевую камеру, гидравлически сообщающуюся через радиальное отверстие, выполненное в конусе с отводом тяжелых фракций, врезанным в трубопровод, причем площадь проточной части между шнеком и кольцевым диском меньше площади проточной части на выходе шнека.

Недостатками данного устройства являются:

- низкая эффективность разрушения водонефтяной эмульсии, из-за слабого закручивания потока;

- отсутствует возможность применения в устройствах с большим расходом и высокой обводнённостью эмульсии.

Известна установка и способ вихревого крекинга нефти и нефтепродуктов (патент RU 2305699 C1, МПК C10G 9/00, B01F 11/00, опубл.10.09.2007) основополагающим элементом, принимающим участие в вихревом крекинге нефти, является вихревая делящее устройство, содержащее вихревую трубу, тангенциальное входные сопло, улитку и дроссель. Нефть под давлением подается через тангенциальное сопло в вихревую трубу, внутри которой создается интенсивное круговое движение. На выходе из тангенциального сопла поток нефти образует внешний вихрь, который развивается до определенного радиуса и смещается вдоль оси трубы к дросселю, установленного на конце вихревой трубы. Внешний вихрь устойчив к силам внутреннего трения и не разрушается ими. Вихрь может разрушаться только на своих радиальных границах за счет трения о стенки и взаимодействия с приосевыми элементами. Интенсивность его закрутки при этом падает из-за снижения окружных скоростей при движении вихря вдоль трубы к дросселю, уменьшается радиальный градиент статического давления в вихревом потоке нефти, а вихрь, попавший в приосевую область нефти изменяет свое первоначальное направление осевого движения на противоположное и движется к сопловому сечению. В процессе перехода в приосевую область элементы нефти интенсивно турбулизируются. Высокая турбулентная вязкость вынуждает приосевой поток нефти вращаться по закону твердого тела. Обратный приосевой поток по мере продвижения к развихрителю закручивается более интенсивным внешним вихрем. Кроме передачи кинетической энергии вращения от внешнего к вынужденному обратному вихрю между ними происходит интенсивный турбулентный теплообмен при высоком градиенте статического давления, нормального к средней скорости движения потока нефти.

Недостатком является отсутствие системы управления потоками прямого и обратного вихрей на выходных патрубках делящего устройства.

Известен внутритрубный сепаратор для разделения масловодных смесей (патент RU 2 456 052 C2, МПК B01D 17/038, опубл. 20.07.2012), относящееся к разделению смеси на фазу, обогащенную маслом, и фазу, обогащенную водой, с использованием линейно скомпонованного разделительного устройства и при этом способ включает в себя:

- установку трубы для подачи водонефтяной смеси,

- установку удлиненного трубчатого разделительного устройства, включающего последовательно: (вход, вихреобразующую камеру, центральную разделительную камеру и выход),

- установку выводной трубы для обогащенной нефтью фазы и выводной трубы для фазы, обогащенной водой,

- вход разделительного устройства соединен по текучей среде с трубой для подачи водонефтяной смеси и вихреобразующей камерой,

- центральная разделительная камера соединена по текучей среде с вихреобразующей камерой и выходом сепаратора,

- выход дополнительно соединен по текучей среде с выводной трубой для

обогащенной нефтью фазы и выводной трубой для фазы, обогащенной водой,

вихреобразующая камера имеет вихреобразующий элемент.

Недостатком является то, что при всем многообразии описанных вариантов исполнения вихревых разделительных устройств и их конструктивных элементов, отсутствует возможность автоматизированного управления редукционными клапанами, установленными на выводной трубе для обогащенной маслом фазы и выводной трубе для фазы, обогащенной водой, при изменении физических свойств поступающей эмульсии в процессе эксплуатации месторождения.

Наиболее близким аналогом по технической сущности является устройство гидроциклонного типа для разделения эмульсий (патент RU 194860 U1, В01D 17/0217; B04C 5/04, опубл. 25.12.2019) содержащее с одного конца головную секцию, выполненную с возможностью подачи эмульсии в рабочую полость посредством не менее четырех впускных тангенциальных отверстий, равномерно распределенных по окружности в цилиндрической части головной секции. Отношение диаметра впускных отверстий к диаметру рабочей полости в цилиндрической части головной секции составляет от 1/10 до 3/50 включительно. Также в головной секции размещен выходной канал для менее плотного компонента эмульсии. На втором конце устройство имеет цилиндрическую секцию и выход для более плотного компонента эмульсии. Площадь поперечного сечения устройства уменьшается от одного конца ко второму.

Недостатками устройства являются:

- ограниченность его функциональных возможностей, отсутствие устройств регулирования процесса разделения от изменяющихся свойств входящей смеси;

- сложность изготовления конической секции камеры разделения, малые размеры внутренних диаметров входа и выхода при большой длине;

- низкая производительность.

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства и установки, обеспечивающих процесс эффективного разделения водонефтяной эмульсии с системой автоматического управления электроприводами регулирующих элементов на основе искусственной нейронной сети,

Поставленная цель достигается созданием внутритрубного сепаратора вихревого типа (далее - ВТС), в состав которого входят разделительная вихревая камера, поточный влагомер, регулирующие электроприводные клапаны, контроль-измерительные приборы и датчики.

Отличительной особенностью предлагаемого устройства является разделительная вихревая камера, представляющая собой отрезок трубы расчетной длины, в отличии от существующих аналогов, нефтеотделителей гидроциклонного типа, имеющих разделительную камеру с внутренней поверхностью переменного сечения конической формы.

Критериями выбора оптимальных размеров разделительной вихревой камеры являются параметры входного потока: производительность, обводненность, температура, плотность скважинного флюида. По этим параметрам с применение методов вычислительной гидродинамики (CFD) произведено моделирование турбулентного течения водонефтяной эмульсии в замкнутом трубном пространстве под воздействием центробежных сил, создаваемых гидроциклонным завихрителем, расположенным во входном элементе камеры, в котором размещены патрубки: патрубок ввода входного потока, расположенный тангенциально на обечайке трубной камеры и патрубок выхода легкой фазы (нефти), размещенный внутри входного элемента аксиально оси вихревой камеры. На противоположной стороне камеры находится патрубок выхода тяжелой фазы (пластовой воды). На линии выходного патрубка легкой фазы смонтирован поточный влагомер. Принцип действия поточного влагомера основан на измерении скорости распространения электромагнитного сигнала в средах с различной диэлектрической проницаемостью. На обеих выходных линиях трубопроводной обвязки разделительной камеры установлены регулирующие электроприводные клапаны, поддерживающие баланс гидросопротивлений внутри камеры. В гидравлическую схему управления внутритрубной сепарации подключены так же кориолисовые расходомеры, датчики давления, температуры и запорно-регулирующая арматура.

Для управления динамическим процессом внутритрубной вихревой сепарации разработана автоматизированная система с модулем автономной настройки технологического режима на основе искусственной нейронной сети с интеллектуальным регулятором на основе трехслойного персептрона с сетевым прогнозирующим контроллером ПИД-алгоритма обработки высокочастотных измерений остаточной обводненности поточного влагомера, с настраиваемыми параметрами системы управления электроприводами клапанов внутритрубного сепаратор вихревого типа.

Отличительная особенность такой системы управления заключается в том, что нейросеть сама находит и устанавливает идеальное соотношение регулирующих клапанов с учетом единственной цели - снижение обводнённости отсепарированной нефти по данным влагомера.

Поставленная цель так же достигается заявляемой мобильной установкой предварительного сброса воды (далее - МУПСВ), содержащая трубный вихревой пескоотделитель, трубный вихревой газоотделитель, внутритрубный сепаратора вихревого типа, блок трехфазного сепаратора, блок отстойника воды, блок дозирования реагентов, последовательно соединенных трубопроводной системой, при этом мобильная установка выполнена в виде единого моноблока, с двухъярусной компоновкой технологических блоков, размещенных в каркасах с габаритами грузовых 40-, 20- футовых контейнеров.

Сущность технического решения поясняется чертежами: Фиг. 1 и Фиг. 2

На Фиг. 1 изображена принципиальная схема ВТС, где:

1 - разделительная вихревая камера;

2 - патрубок ввода входного потока;

3 - патрубок выхода легкой фазы;

4 - патрубок выхода тяжелой фазы;

5 - поточный влагомер;

6 - клапан регулирующий электроприводной;

7 - расходомер кориолисовый;

8 - датчик давления.

Предлагаемое техническое решение ВТС работает следующим образом.

Входящий поток водонефтяной эмульсии поступает в разделительную вихревую камеру 1 через патрубок ввода входного потока 2, расположенный тангенциально на входной части разделительной вихревой камеры 1. Поступивший в камеру поток, за счет центробежной силы приобретает вращательное движение, создается повышенная закрутка потока, в результате чего начинается разделение смеси на две составляющие: пластовая вода, обладающая более высокой плотностью, закручиваясь стремится в пристенную область камеры и вращаясь направляется, по ходу движения потока, к патрубку выхода тяжелой фазы 4 и нефть, с меньшим параметром плотности, закручиваясь образует вихревую нить в центральной зоне камеры. При определенных условиях баланса гидросопротивлений, создаваемого двумя высоко чувствительными быстродействующими клапанами регулирующими электроприводными 6, происходит формирование зоны возвратного течения нефтяной нити к патрубку выхода легкой фазы 3, расположенного во ввходной части разделительной вихревой камеры 1. Вышедший из вихревой камеры 1 поток легкой фазы поступает в поточный влагомер 5, где определяется значение остаточного содержания воды в нефти. Входные и выходные параметры всех контрольно-измерительных приборов, в том числе датчиков давления 8 и расходомеров кориолисовых 7, поступают в контроллер нейросети (на схеме не показан), происходит оценка эффективности сепарации.

Наиболее эффективной область применения внутритрубных разделителей вихревого типа, в том числе и внутритрубных сепараторов вихревого типа, являются проекты с большим расходом и обводнённостью скважинного флюида от 3000 до 20000 м³ в сутки в Мобильных установках предварительного сброса воды.

На фиг. 2 изображена принципиальная схема МУПСВ с малогабаритными устройствами внутритрубных вихревых разделителей вихревого типа, на которой использованы следующие условные обозначения:

a) обозначения блоков:

9 - Блок вихревого пескоотделителя трубный

10 - Блок вихревого газоотделителя трубный

11 - Блок внутритрубного сепаратора вихревого типа

12 - Блок трехфазного сепаратора

13 - Блок отстойника воды

14 - Блок дозирования реагентов

б) обозначения трубопроводов:

15 - скважинный флюид (нефтеводогазовая смесь)

16 - водонефтяная эмульсия ВНЭ

17 - товарная нефть

18 - попутный нефтяной газ ПНГ (газ высокого давления)

19 - пластовая вода

20 - деэмульгатор

21 - нефтесборный промысловый коллектор.

Отличительной особенностью мобильной установки предварительного сброса воды на основе внутритрубных вихревых разделителей является модульная конструкция, выполненная в виде единого моноблока, с двухъярусным размещением технологических блоков, размещенных в каркасах с габаритами грузовых 40-, 20- футовых контейнеров. Каждый технологический блок представляет собой единичный комплект функционального технологического оборудования полной заводский готовности. Межблочные соединения трубопроводной системы выполнены посредством быстроразъемных соединений.

Заявляемая мобильная установка предварительного сброса воды на основе внутритрубных вихревых разделителей работает следующим образом: продукция нефтяных скважин по кустовому сборному коллектору 15 поступает в Блок вихревого пескоотделителя 9, представляющий вертикальный трубный аппарат с тангенциальным вводом, в котором происходит интенсивное отделение твердых взвешенных частиц (ТВЧ) из жидкой среды. Предварительная сепарация ТВЧ в малогабаритном трубном пескоотделителе позволяет разгрузить сепарационное оборудование всей кустовой установки от необходимости регулярной очистки трубопроводной сети и отстойников. Отфильтрованный таким динамическим способом скважинный флюид, представляющий нефтеводогазовую смесь, направляется на следующие этапы подготовки. Перед поступлением к основному сепарационному оборудованию в трубопровод 15 по трубопроводу 20 подается деэмульгатор из Блока дозирования реагентов 14. Очищенная от ТВЧ нефтеводогазовая смесь поступает в Блок вихревого газоотделителя 10, представляющий горизонтальный трубный аппарат, в котором вихревое движение потока создается лопаточным завихрителем, установленным аксиально оси разделительной камеры. В процессе центробежного вращательного движения смеси внутри камеры происходит разделение двух фаз с разной плотностью: жидкая фаза с большим удельным весом стремится к стенкам камеры, вращательное движение газовой фазы концентрируется в центральной части. На выходе из разделительной камеры в конце сепарационной зоны установлено устройство с патрубком в центре для отвода выделенного газа и развихрителем в пристенной части для успокоения потока отсепарированной жидкой фазы. Патрубок выхода газа соединен с газопроводом 18. Отделенный газ сразу направляется на выход установки в нефтесборный промысловый коллектор 21. Отсепарированная жидкая фаза, представляющая водонефтяную эмульсию, по трубопроводу 16 направляется в тангенциальный ввод Блока внутритрубного сепаратора вихревого типа 11, принцип работы которого рассмотрен выше. На выходе из ВТС поток нефти по трубопроводу 17 заводится в Блок трехфазного сепаратора 12, где дополнительно обезвоживается и далее уходит в нефтесборный промысловый коллектор 21 для транспортировки вместе с газом на установку подготовки нефти УПН центрального пункта сбора ЦПС. Поток пластовой воды по трубопроводу 19 поступает Блок отстойника воды 13, где доочищается, и далее подается в Блочную кустовую насосную станцию (на схеме не показана) системы поддержания пластового давления для закачки в пласт.

Отличительными признаками заявляемой мобильной установки предварительного сброса воды на основе внутритрубных вихревых разделителей являются:

- автоматизированная система управления с модулем автономной настройки технологического режима на основе искусственной нейронной сети с сенсорами, сетевым прогнозирующим контроллером ПИД-алгоритма и скоростными исполнительными механизмами, обеспечивающих эффективную сепарацию во внутритрубных вихревых сепараторах;

- подготовка отделенной воды до требуемого качества закачки обратно в пласт на отдаленных кустах в непосредственной близости от добывающих и поглощающих скважин;

- обезвоживание нефти до состояния агрегативной устойчивости эмульсии для предотвращения выделения свободной воды при ее транспортировке;

- оперативный учет нефти, воды и попутного нефтяного газа;

- полностью герметичная компоновка, соответствующая расчетному давлению системы сбора и исключающая выбросы в атмосферу, отсутствие надобности в факельной и дренажной системах;

- автономная работа без постоянного присутствия обслуживающего персонала.

Указанные отличительные признаки предлагаемой ВТС с системой управления на основе нейросети в составе МУПСВ определяют ее новизну и изобретательский уровень в сравнении с известными способами разделения и подготовки скважинной продукции высокой обводнённости в кустовых условиях.

Применение оборудования МУПСВ с внутритрубными вихревыми разделителями позволяет максимально увеличить эффективность капиталовложений за счет уменьшения затрат на оборудование и уменьшения массогабаритных характеристик. Стоимость проекта мобильной установки предварительного сброса воды с внутритрубными вихревыми разделителями в 2,5 раза ниже, чем затраты на возведение капитального объекта установки предварительного сброса воды ёмкостного типа аналогичной производительности.

Изобретение относится к нефтегазодобывающей отрасли, может использоваться в качестве сепарационного устройства в установках предварительного сброса воды, установках подготовки нефти, установках подготовки газа. Внутритрубный сепаратор вихревого типа с системой управления на основе нейронной сети содержит разделительную вихревую камеру, которая во входной части содержит расположенный тангенциально патрубок ввода входного потока, расположенный аксиально патрубок выхода легкой фазы, а с другой стороны имеет патрубок выхода тяжелой фазы. На обеих выходных линиях трубопроводной обвязки разделительной вихревой камеры установлены регулирующие электроприводные клапаны. В гидравлическую схему управления внутритрубной сепарации подключены кориолисовые расходомеры, датчики давления, температуры и запорно-регулирующая арматура, а управление динамическим процессом внутритрубной вихревой сепарации осуществляется автоматизированной системой с модулем автономной настройки технологического режима на основе искусственной нейронной сети с интеллектуальным регулятором на основе трехслойного персептрона с сетевым прогнозирующим контроллером ПИД-алгоритма обработки высокочастотных измерений остаточной обводненности поточного влагомера, с настраиваемыми параметрами системы управления электроприводами клапанов внутритрубного сепаратор вихревого типа. Мобильная установка предварительного сброса воды содержит трубный вихревой пескоотделитель, трубный вихревой газоотделитель, внутритрубный сепаратор вихревого типа с системой управления на основе нейронной сети, блок трехфазного сепаратора, блок отстойника воды, блок дозирования реагентов, последовательно соединенных трубопроводной системой. Мобильная установка выполнена в виде единого моноблока с двухъярусной компоновкой технологических блоков, размещенных в каркасах с габаритами грузовых 40-, 20-футовых контейнеров. Технический результат: обеспечение процесса эффективного разделения водонефтяной эмульсии с системой автоматического управления электроприводами регулирующих элементов на основе искусственной нейронной сети. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Внутритрубный сепаратор вихревого типа с системой управления на основе нейронной сети, в котором разделительная вихревая камера во входной части содержит расположенный тангенциально патрубок ввода входного потока, расположенный аксиально патрубок выхода легкой фазы, с другой стороны имеющей патрубок выхода тяжелой фазы, отличающийся тем, что подача эмульсии осуществляется через один входной патрубок, разделительная вихревая камера представляет собой отрезок трубы расчетной длины, при этом на линии выходного патрубка легкой фазы смонтирован поточный влагомер, на обеих выходных линиях трубопроводной обвязки разделительной вихревой камеры установлены регулирующие электроприводные клапаны, в гидравлическую схему управления внутритрубной сепарации подключены кориолисовые расходомеры, датчики давления, температуры и запорно-регулирующая арматура, а управление динамическим процессом внутритрубной вихревой сепарации осуществляется автоматизированной системой с модулем автономной настройки технологического режима на основе искусственной нейронной сети с интеллектуальным регулятором на основе трехслойного персептрона с сетевым прогнозирующим контроллером ПИД-алгоритма обработки высокочастотных измерений остаточной обводненности поточного влагомера, с настраиваемыми параметрами системы управления электроприводами клапанов внутритрубного сепаратор вихревого типа.

2. Мобильная установка предварительного сброса воды, содержащая трубный вихревой пескоотделитель, трубный вихревой газоотделитель, внутритрубный сепаратор вихревого типа с системой управления на основе нейронной сети по п. 1, блок трехфазного сепаратора, блок отстойника воды, блок дозирования реагентов, последовательно соединенные трубопроводной системой, при этом мобильная установка выполнена в виде единого моноблока, с двухъярусной компоновкой технологических блоков, размещенных в каркасах с габаритами грузовых 40-, 20-футовых контейнеров.