ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ СЕПАРАТОР ЖИДКОСТИ ПОВЫШЕННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ С ВОЗМОЖНОСТЬЮ ПРОПУСКАНИЯ СРЕДСТВ ОЧИСТКИ И ДИАГНОСТИКИ (СОД) Российский патент 2024 года по МПК B01D45/06 B01D45/18 E21B43/36 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сфере разработки и освоения газовых и газоконденсатных месторождений, а также может быть использовано в смежных отраслях промышленности, в которых необходима осушка технических газов, выделение жидкой фазы из поступающей газожидкостной смеси в трубопроводы за счет эффекта Джоуля-Томпсона и циклонического разделения.

В процессе добычи углеводородов из газовых скважин вместе с добываемым продуктом поступает некоторое количество жидкости, включающей пластовую и закачиваемую воду, конденсат, различные ингибиторы. Уменьшение объема транспортируемой жидкости в составе газожидкостной смеси позволяет снизить потери величины давления по длине, в результате чего повысится пропускная способность трубопровода при постоянстве подводимой мощности, снизиться вероятность возникновения нежелательных пробковых режимов с выносом большого количества жидкости на приемное оборудования цикла подготовки. Также наличие водной фазы увеличивает вероятность образования гидратов при снижении температуры по длине участка трубопровода и высоком уровне давления. Необходимо отметить, что многофазные газожидкостные смеси (ГЖС), транспортируемые по трубопроводу, включают в себя загрязнения: твердые частицы породы коллектора, соли, твердые включения из растворов глушения и продукты коррозии внутрискважинного оборудования, которые в свою очередь вызывают выход из строя установленного на трубопроводе оборудования, так, например, песок вызывает эрозию металла, поэтому необходимо периодически проводить очистку внутренней полости трубопровода поршнем от загрязнений.

Указанные проблемы приводят к нештатным ситуациям при эксплуатации оборудования с риском внеплановых остановов добычи на месторождении.

Для снижения вероятности возникновения перечисленных выше нежелательных явлений предлагается концепция обустройства шельфового газоконденсатного месторождения с использованием сепарационных устройств по отделению жидкой фазы из газожидкостной смеси, установленных либо на газосборном коллекторе, либо на параллельном трубопроводе-байпасе в местах с высокой вероятностью конденсации жидкости и скопления жидкой фазы.

Уровень техники

Из уровня техники известен документ RU 221428 U1, 08.11.2023 из которого известно устройство сепарационной установки, которые было взято за основу для описываемого в данном документе изобретения и выбрано в качестве прототипа. Предложенный ранее сепарационный модуль имеет следующие основные общие признаки:

- укрупненно состоит из двух основных частей: зоны дросселирования и зоны сепарации жидкой фазы;

- имеет возможность пропускания средств очистки и диагностики по трубопроводу через сепарационный модуль;

- отделение жидкости за счет эффекта Джоуля-Томпсона и гравитационного разделения.

- дренажную емкость для отвода свободной и выделившейся в процессе сепарации жидкости.

В документе RU 221428 U1 в конструктиве изобретения для сепарирования используются гравитационные силы и эффект Джоуля-Томпсона, под действием которых жидкость попадает в дренажную емкость через дренажные каналы сепарационного модуля.

Имеется возможность повысить эффективность разделения газоконденсатной смеси, если использовать входные профилированные наклонные лопатки, позволяющие закрутить поток по мере его движения по трубопроводу (вдоль оси трубопровода) и отбойник жидкости. Благодаря установке наклонных лопаток на входе сепаратора и отбойника в центральной узкой части проточного канала сепаратора, достигается эффект вращения (закрутки) потока, т.е. дополнительная турбулизация потока для увеличения эффективности образования и выделения жидкой фазы из потока ГЖС.

Таким образом, предлагается устройство сепарации, в котором одновременно используются принцип циклонической сепарации (эффектов вращения (закрутки потока ГЖС) и гравитации) и принцип разделения, основанный на эффекте Джоуля-Томпсона. Дополнительно важно, чтобы конструкция сепаратора имела возможность пропускания средств очистки и диагностики (СОД) по трубопроводу, на котором данный сепаратор установлен.

Технический результат заключается в увеличении эффективности газожидкостного сепаратора и способа выделения жидкой фазы из ГЖС, а также повышенная эффективность по отделению жидкой фазы из газожидкостной среды сепарационного устройства с возможностью пропускания средств очистки и диагностики (СОД) по трубопроводу, на котором установлено сепарационное устройство.

Раскрытие сущности изобретения

Технический результат достигается гидродинамический сепаратором жидкости состоящим из основания/рамы, сепарационного устройства для отделения жидкой фазы из пластового газа, включающего цилиндрический корпус с дренажными каналами, внутри корпуса последовательно расположены сепарационный элемент и перфорированный участок, сепарационный элемент разделен на сегменты, внутреннее проходное сечение устройства представляет собой трубу Вентури, на внешней стороне сегментов расположены пружины с опорой на корпус, сепарационный элемент выполнен с возможностью изменения внутреннего проходного сечения за счет перемещения сегментов в направлении внутренней части корпуса, перед сепарационным элементом расположен входной завихритель потока, содержащий профилированные лопатки, а сепарационный элемент содержит расположенный на входе отбойник, при этом профилированные лопатки и отбойник изготовлены гибкими.

В предпочтительном варианте дренажная часть оборудована датчиками уровня жидкости и насосом, связанным с датчиками уровня и подключенным к трубопроводу для откачки жидкости.

В предпочтительном варианте насос дополнительно подключен к сепарационному модулю.

В предпочтительном варианте гидродинамический сепаратор выполнен с возможностью установки как в разрыв трубопровода, так и в разрыв трубопровода с добавлением параллельного трубопровода (байпаса), на входе и выходе гидродинамического сепаратора жидкости.

В предпочтительном варианте сепарационный элемент представляет собой перфорированный цилиндр.

В предпочтительном варианте лопатки и отбойник выполнены из резины, полиуретана или пенополиуретана;

Технический результат достигается также сепарационным устройством для отделения жидкой фазы из пластового газа, расположенном в гидродинамическом сепараторе жидкости и включает цилиндрический корпус с дренажными каналами, внутри корпуса последовательно расположены сепарационный элемент и перфорированный участок, сепарационный элемент разделен на сегменты, внутреннее проходное сечение устройства представляет собой трубу Вентури, на внешней стороне сегментов расположены пружины с опорой на корпус, сепарационный элемент выполнен с возможностью изменения внутреннего проходного сечения за счет перемещения сегментов в направлении внутренней части корпуса, отличающееся тем, что перед сепарационным элементом расположен входной завихритель потока, содержащий профилированные лопатки, а сепарационный элемент содержит расположенный на входе отбойник, при этом профилированные лопатки и отбойник изготовлены гибкими.

В предпочтительном варианте пружины в сепарационном устройстве располагают с опорой на внутреннюю поверхность кольцевой камеры корпуса, причем камера сформирована с возможностью размещения в ней сегмента с опорой на кольцевую камеру.

В предпочтительном варианте пружины располагают с опорой непосредственно на внутреннюю поверхность корпуса.

Технический результат достигается также способом разделения газожидкостной смеси, использующим гидродинамический сепаратор.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Схема гидротехнического сепаратора с входным завихрителем и отбойником

Фиг. 2. Разрез с отображением поперечного сечения входного завихрителя

Фиг.3. Виды расположением лопаток

Фиг. 4. Вид спереди на внутреннее устройство входного устройства/завихрителя в 3-D

Фиг. 5. Вид сверху на внутреннее устройство входного устройства/завихрителя в 3-D

Фиг. 6. Способ крепления лопаток по аналогии с осевым компрессором

Фиг. 7 Способ крепления отбойника

Позиции:

1 - лопатка откидная;

2 - отбойник жидкости;

3 - дренажная емкость;

4 - сегмент проточной части;

5 - отбойник жидкости;

6 - пружины;

7 - закладная.

В состав сепарационного устройства входят последовательно расположенные входной завихритель с профилированными лопатками; сепарационная часть с отбойником жидкости, установленным между сегментами в верхней части проточного канала; цилиндрический корпус с дренажными каналами и емкостью. Сепаратор располагается на опорном основании/раме, имеет коннектора для подключения к ГСК (газосборному коллектору) и запорную арматуру. Общий вид представлен на фиг.1.

Входной завихритель потока имеет закрепленные откидные профилированные лопатки, показанные на фиг.2. Лопатки расположены одновременно под углом и к горизонтальной, и к вертикальной оси трубопровода (фиг.3). Наклон лопаток приводит поступающий поток во вращательное движение вдоль оси трубопровода и его специально закручивает, что необходимо для создания завихрений потока между его слоями. Сепарационный элемент представляет собой цилиндр, расположенный в корпусе и разделенный на сегменты, при помощи которых изменяется внутреннее проходное сечение проточной части сепаратора и перфорированного участка с дренажными каналами.

Количество встроенных сегментов зависит от диаметра газосборного коллектора с учетом пропускной способности сепаратора. Минимальное число сегментов в сепараторе от трех штук. Продольное сечение сегмента представляет собой последовательное соединение конфузора цилиндрического участка и диффузора. Основной поток газожидкостной смеси поступает в проточную часть сепарационного устройства, представляющую собой полый цилиндр, разделенный вдоль оси на сегменты с пружинными механизмами (минимальное количество пружин на сегмент 4 пружины). Для создания дополнительных местных сопротивлений, приводящих к турбулизации потока, перед входом в проточную сужающуюся часть сепаратора расположен отбойник. Отбойник представляет собой ребро, расположенное вдоль оси сепаратора. Отбойник имеет закладное крепление к нижней металлической части (фиг.7). Закладная выполнена из металла и крепится к нижней металлической части. Нижняя металлическая часть отбойника крепится к внутренней стороне корпуса при помощи пружин.

Дополнительно внутреннее устройство сепаратора обеспечивает прохождение средств очистки и диагностики без повреждений как самого сепарационного модуля и его внутренних элементов, так и средств очистки и диагностики СОД. Отбойник жидкости позволяет СОД свободно проходить через сепарационный элемент, так как имеет возможность прижиматься под внешним воздействием СОД к внутренней полости проточной части сепаратора между сегментами в щелях для отвода капельной жидкости. Также лопатки (фиг.1, поз.1) должны прижиматься к внутренней полости сепарационного устройства под действием СОД. При прохождении поршня отбойник жидкости (фиг.1, поз.2) утапливается под действием СОД только в горизонтально расположенный канал (вдоль оси трубопровода), сжимаются пружины и отбойник прижимается к внутренней поверхности.

Лопатки и отбойник изготовляются из полиуретана, пенополиуретана или резины, что позволяет им свободно прижиматься и восстанавливать свою первоначальную форму после прохождения СОД при проходе поршня СОД через сепарационные устройства под действием веса поршня СОД, а также материалы из которых изготовлены лопатки и отбойник соответствуют требованиям по износостойкости и прочности. Перо (верхняя часть лопатки) прикрепляется при помощи хвостовика (нижняя часть лопатки) к внутренней полости входного устройства. Технология крепления аналогична креплению лопаток осевого компрессора (фиг.6).

В процессе дросселирования происходит увеличение скорости потока и снижение температуры, что приводит к выделению из газоконденсатной смеси жидкой фазы. Турбулизация на входном завихрителе потока приводит к коагуляции (слипания мелких частиц дисперсных систем в более крупные агрегаты под влиянием сил сцепления с образованием коагуляционных структур) выделившихся капель жидкости, что приводит к тому, что силы тяжести становятся одного порядка малости с силами инерции и образованные крупные капли жидкой фазы под действием сил тяжести скапливаются и образуют жидкую пленку на стенке сепаратора. По мере укрупнения капель увеличивается значение силы тяжести, под действием которой крупные капли выпадают в нижней полости трубопровода и стекают в дренажную емкость.

Газожидкостная смесь при входе в сепаратор попадает на профилированные лопатки, которые создают закрутку и вихреобразование в потоке газожидкостной смеси. Далее газожидкостная смесь попадает в сужающуюся часть проточного канала сепарационного устройства с расположенным в ней отбойником жидкости для дополнительного вихреобразования. Отбойник представляет собой ребро, расположенное вдоль оси сепаратора. Выделение жидкой фазы из газожидкостной смеси происходит за счет эффектов вращения (закрутки потока ГЖС) и гравитации, за счет смещения точки росы газожидкостной смеси, т.е. переохлаждение потока ГЖС при прохождении проточного канала сепаратора, а именно суживающую его часть. Смесь протекает по внутреннему проходному сечению полого цилиндра, представляющего собой трубу Вентури (угол конфузора - 25-63°; угол диффузора - 6-10°; Lг/Dг=0,15 отношение длины «горлышка» к диаметру «горлышка»). В результате проявление эффекта Джоуля-Томпсона происходит изменение температуры ГЖС при дросселировании - протекании газа под действием постоянной величины перепада давлений на дросселе. Данный эффект используется в конструкции сепаратора для получения низких температур в потоке ГЖС. При снижении температуры ГЖС до значения равного температуре точка росы при данном уровне давления в потоке ГЖС, содержащийся в ней, растворенная жидкость (жидкая фаза) достигает состояния насыщения и начинает конденсироваться в росу. Это роса за счет закрутки и вихреобразования в потоке ГЖС на входе в сепаратор, а также за счет сил тяжести скапливается на стенках сепаратора и образует жидкую пленку, которая уносится потоком ГЖС и далее собирается за сепаратором в специальную емкость (дренажную емкость). За счет вихреобразование поток дополнительно турбулизуется. Появляется значительная по величине дополнительная радиальная составляющая скорости движения частиц потока ГЖС. Благодаря этому столкновение молекул выделяющейся жидкой фазы из потока ГЖС увеличивается и происходит интенсивный рост и образование крупных капелек-центров конденсации, которым под действием сил тяжести легче упасть на стенку сепаратора, т.е. силы тяжести становятся соизмеримы с силами инерции высокоскоростного потока ГЖС. После прохождения проточной части газожидкостная смесь поступает в перфорированный участок сепарационного устройства для конденсации/выпадения жидкой фазы. Выпавшая из основного потока газа жидкая фаза под действием силы гравитации отводится через дренирующие каналы в дренажную часть сепаратора (фиг.1, поз.3), которая расположена ниже. В дренажной части сепаратора расположен датчик уровня жидкости, при достижении заданного максимального объема заполнения дренажной емкости сепаратора происходит автоматическое включение насоса для откачки жидкости в отдельный трубопровод диаметром 2", подключаемый через специально предусмотренную запорную арматуру. Диаметр трубопровода зависит от расхода жидкости и определяется по результатам предварительных гидравлических расчетов.

Транспортирование газожидкостной смеси (ГЖС) осуществляется по газосборному коллектору под действием пластовой энергии с частичным выделением влаги/жидкой фазы (конденсат и вода) в сепарационных модулях. Выделившаяся жидкая фаза будет отводиться в нижнюю (дренажную) часть сепарационного модуля и далее с помощью насосных модулей транспортироваться по отдельному трубопроводу с дальнейшим сбором в отдельную приемную емкость (на берегу пробкоуловители).

При загрязнении внутреннего проходного сечения входного устройства, полого цилиндра проточной части сепаратора и загрязнении щелей для отвода капельной жидкости между сегментами, сепаратор предусматривает возможность пропускания через него средств очистки и диагностики. Конструктивное исполнение гидродинамического сепаратора жидкости позволяет изменять проточное сечение за счет движения сегментов сужающейся части в радиальном направлении посредством пружинных механизмов. В частности, в трубопровод под давлением проталкивают поршень, который раздвигает внутреннее проходное сечение полого цилиндра, сечение расширяется в корпусе сепарационной части благодаря сжатию установленных пружин на внешней стороне каждого из сегментов, при этом щели между сегментами увеличиваются и все загрязнения под давлением выталкиваются в корпус сепарационной части, откуда через дренажные каналы удаляются в дренажную емкость.

Гидродинамический сепаратор жидкости устанавливается в определенных точках трубопровода, где температура точки росы выше, чем температура газожидкостной смеси. Увеличение эффективности выделения жидкой фазы происходит за счет расположения наклонных профилированных лопаток и отбойника жидкости для турбулизации потока (циклонической сепарации) и трубки Вентури, использующейся в качестве дросселирующего элемента в проточной части сепарационного модуля с адиабатическим расширением. Дополнительное переохлаждение гарантирует выпадение капельной влаги в данном месте. При прохождении газожидкостной смеси через сужающийся канал скорость ГЖС в узком сечении увеличивается, а уровень давления падает. Наблюдается эффект Джоуля Томпсона, в результате которого при расширении газо-жидкостной смеси наблюдается ее охлаждение.

По одному из предпочтительных вариантов в сепарационном устройстве пружины располагают с опорой на дно, предварительно сформированной на внутренней поверхности корпуса кольцевой камеры, причем камера сформирована с возможностью размещения в ней сегмента с опорой на кольцевую камеру.

По другому предпочтительному варианту сепарационного устройства пружины располагают с опорой непосредственно на внутреннюю часть корпуса.

Данное решение является опциональным, так как возможно размещение сепаратора на трубопроводе-байпасе, в случае чего пропуск СОД будет осуществляться через основную нитку газосборного коллектора без задействования гидродинамического сепаратора жидкости.

Наличие входного заверителя наибольшее влияние оказывает на скорость закрутки потока при его прохождении: она увеличилась с 8 м/с до 25 м/с, а на также на статическую температуру газа в сопле, которая снижается на 7 К. Снижение температуры газа с одновременным увеличением скорости закрутки позволяет обеспечить более качественную сепарацию конденсируемых в сопле фракций. В результате выделяется около 98% жидкой фазы из газоконденсатной смеси.

Изобретение относится к гидродинамическому сепаратору жидкости, состоящему из основания/рамы, сепарационного устройства для отделения жидкой фазы из пластового газа, включающего цилиндрический корпус с дренажными каналами, внутри корпуса последовательно расположены сепарационный элемент и перфорированный участок. Сепарационный элемент разделен на сегменты, внутреннее проходное сечение устройства представляет собой трубу Вентури, на внешней стороне сегментов расположены пружины с опорой на корпус, сепарационный элемент выполнен с возможностью изменения внутреннего проходного сечения за счет перемещения сегментов в направлении внутренней части корпуса. Перед сепарационным элементом расположен входной завихритель потока, содержащий профилированные лопатки, а сепарационный элемент содержит расположенный на входе отбойник, при этом профилированные лопатки и отбойник изготовлены гибкими. Изобретение также касается сепарационного устройства и способа разделения газожидкостной смеси. Технический результат - увеличение эффективности газожидкостного сепаратора и способа выделения жидкой фазы из ГЖС, а также повышенная эффективность по отделению жидкой фазы из газожидкостной среды сепарационного устройства с возможностью пропускания средств очистки и диагностики (СОД) по трубопроводу, на котором установлено сепарационное устройство. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Гидродинамический сепаратор жидкости, состоящий из основания/рамы, сепарационного устройства для отделения жидкой фазы из пластового газа, включающего цилиндрический корпус с дренажными каналами, внутри корпуса последовательно расположены сепарационный элемент и перфорированный участок, сепарационный элемент разделен на сегменты, внутреннее проходное сечение устройства представляет собой трубу Вентури, на внешней стороне сегментов расположены пружины с опорой на корпус, сепарационный элемент выполнен с возможностью изменения внутреннего проходного сечения за счет перемещения сегментов в направлении внутренней части корпуса, отличающийся тем, что перед сепарационным элементом расположен входной завихритель потока, содержащий профилированные лопатки, а сепарационный элемент содержит расположенный на входе отбойник, при этом профилированные лопатки и отбойник изготовлены гибкими.

2. Гидродинамический сепаратор жидкости по п. 1, в котором дренажная часть оборудована датчиками уровня жидкости и насосом, связанным с датчиками уровня и подключенным к трубопроводу для откачки жидкости.

3. Гидродинамический сепаратор жидкости по п. 2, в котором насос дополнительно подключен к сепарационному модулю.

4. Гидродинамический сепаратор жидкости по п. 1, который выполнен с возможностью установки как в разрыв трубопровода, так и в разрыв трубопровода с добавлением параллельного трубопровода (байпаса) на входе и выходе гидродинамического сепаратора жидкости.

5. Гидродинамический сепаратор жидкости по п. 1, в котором сепарационный элемент представляет собой перфорированный цилиндр.

6. Гидродинамический сепаратор жидкости по п. 1, в котором лопатки и отбойник выполнены из резины, полиуретана или пенополиуретана.

7. Сепарационное устройство для отделения жидкой фазы из пластового газа, расположенное в гидродинамическом сепараторе жидкости по п.1 и включающее цилиндрический корпус с дренажными каналами, внутри корпуса последовательно расположены сепарационный элемент и перфорированный участок, сепарационный элемент разделен на сегменты, внутреннее проходное сечение устройства представляет собой трубу Вентури, на внешней стороне сегментов расположены пружины с опорой на корпус, сепарационный элемент выполнен с возможностью изменения внутреннего проходного сечения за счет перемещения сегментов в направлении внутренней части корпуса, отличающееся тем, что перед сепарационным элементом расположен входной завихритель потока, содержащий профилированные лопатки, а сепарационный элемент содержит расположенный на входе отбойник, при этом профилированные лопатки и отбойник изготовлены гибкими.

8. Сепарационное устройство по п. 7, в котором пружины располагают с опорой на внутреннюю поверхность кольцевой камеры корпуса, причем камера сформирована с возможностью размещения в ней сегмента с опорой на кольцевую камеру.

9. Сепарационное устройство по п. 7, в котором пружины располагают с опорой непосредственно на внутреннюю поверхность корпуса.

10. Способ разделения газожидкостной смеси, в котором пропускают газожидкостную смесь через гидродинамический сепаратор жидкости по п. 1 и отделяют жидкость, при этом отложившиеся загрязнения в процессе разделения удаляют средством очистки и диагностики, пропускаемым через внутреннее сечение сепаратора.