Результат интеллектуальной деятельности: ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ СЕПАРАТОР

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано для разделения нефти и газа при сборе продукции скважин.

Известен центробежный газожидкостный сепаратор (патент RU №2311945, МПК⁸B01D 45/12, опубликовано в бюл. №33 от 10.12.2007 г.), содержащий вертикальный корпус, разделенный горизонтальной перегородкой, делящей корпус на камеры, тангенциальный ввод разделяемой смеси, расположенный под перегородкой, осевую трубу, осевой выходной патрубок, экранирующую пластину, расположенную под осевой трубой, рециркуляционную трубу, размещенную по оси корпуса ниже осевой трубы, при этом, корпус снизу дополнительно оснащен патрубком вывода отстоя, отстойной камерой со сливным патрубком, установленным снизу радиально, и концентрично установленным стаканом, внутренняя полость которого сообщена снизу с патрубком вывода отстоя, а верхние края оснащены экранирующей пластиной, выполненной с небольшим наклоном вниз от верхних краев стакана к стенкам корпуса, относительно которого экранирующая пластина установлена по периметру с зазором, при этом перегородка установлена в корпусе по периметру с зазором и герметично соединена с осевой трубой, сообщенной непосредственно с тангенциальным вводом и оборудованной снизу воронкой с рециркуляционной трубой, причем нижняя часть рециркуляционной трубы вставлена в стакан, а камера, расположенная ниже перегородки, сообщена с осевым выходным патрубком телескопически вставленной в него с зазором трубки.

Недостатком данного сепаратора являются:

- во-первых, низкая эффективность разделения газожидкостной смеси (ГЖС) вследствие того, что газожидкостная смесь тангенциально поступает в трубу и по внутренним стенкам трубы и воронки капли жидкости с газом стекают в стакан, откуда не отсепарированный и неуспевший отделиться из жидкости газ вместе с жидкостью сливается через сливной патрубок, установленный в нижней части вертикального корпуса.

- во-вторых, низкое качество отсепарированного газа, попадающего в осевой выходной патрубок газа, обусловленное попаданием в него частиц жидкости из осевой трубы, вследствие высокой скорости сепарации в первой камере внутри осевой трубы, при этом газ попадает в стакан, не успев выделится из ГЖС. Кроме того, в конструкции отсутствуют элементы, препятствующие попаданию капель в трубопровод отвода газа (конусный экран, брызгоунос).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является газожидкостный сепаратор (патент RU №2306966, МПК⁸B01D 19/00, опубликовано в бюл. №27 от 27.09.2007 г.), содержащий вертикальный цилиндрический корпус, трубопроводы подвода газожидкостной смеси и отвода газа и жидкости, при этом корпус разделен конической перегородкой на входную и каплеотбойную камеры и снабжен газоуравнительным трубопроводом, соединяющим корпус сепаратора с трубопроводом отвода газа, причем входная камера снабжена сливными трубами и концентрично установленной каплеотбойной камерой с завихрителем, конусной нижней частью и сливными трубами, нижние концы которых расположены ниже концов сливных труб входной камеры и установлены в гидрозатворный стакан в нижней части корпуса, причем устройство снабжено винтовой полкой, зафиксированной на внутренней стенке каплеотбойной камеры в пределах трубопровода отвода газа, при этом между корпусом и каплеотбойной камерой, выше патрубка подвода газожидкостной смеси и ниже верхней кромки каплеотбойной камеры установлена сужающаяся книзу воронка, верхняя кромка которой соединена с сетчатым стаканом, охватывающим трубопровод подвода газожидкостной смеси и каплеотбойную камеру, причем ниже трубопровода отвода газа установлен экран, а корпус между сетчатым стаканом и конической перегородкой разобщен кольцевыми сетчатыми перегородками. Недостатками данного устройства являются:

- во-первых, низкая эффективность разделения ГЖС на газ и жидкость, так как тангенциально закрученный поток ГЖС разбивается о сетчатый стакан только напротив центробежного ввода в направлении, перпендикулярном вертикальному цилиндрическому корпусу сепаратора, при этом влияние гравитационных сил в процессе разделения ГЖС минимально, поэтому за счет большой скорости движения закрученнного потока ГЖС жидкость стекает вниз, увлекая за собой частицы газа, не успевшие выделится вместе с жидкостью в сливные трубы и далее в нижнюю часть вертикального цилиндрического корпуса сепаратора, откуда сливается с жидкостью;

- во-вторых, низкое качество отсепарированного газа, обусловленное низкой интенсивностью процесса коалесценции, т.е. укрупнения капель жидкости, выделяющихся из газа, при этом внутри сепаратора выше трубопровода подвода газа на входе в каплеотбойную камеру в газовом пространстве образуется пена, которая попадает в каплеотбойную камеру и далее в трубопровод отвода газа. Кроме того, конусный экран, расположенный на входе в трубопровод отвода газа, предотвращает брызгоунос только на входе в трубопровод отвода газа, при этом брызги по газоуравнительному трубопроводу свободно попадают в трубопровод отвода газа;

- в-третьих, низкая надежность, обусловленная быстрым засорением самой верхней сетчатой перегородки в процессе работы механическими примесями, песком, шламом, и как следствие, преждевременный выход из строя с необходимостью очистки или замены сетчатых элементов конструкции.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности разделения газожидкостной смеси на газ и жидкость, а также повышения качества отсепарированного газа и повышение надежности работы устройства.

Поставленная техническая задача решается газожидкостным сепаратором, содержащим вертикальный цилиндрический корпус, трубопроводы подвода газожидкостной смеси, отвода газа и жидкости, при этом корпус разделен конической перегородкой на входную и каплеотбойную камеры и снабжен газоуравнительным трубопроводом, соединяющим корпус сепаратора с трубопроводом отвода газа, причем входная камера снабжена сливными трубами и концентрично установленной каплеотбойной камерой с завихрителем, в виде винтовой полки, зафиксированной на внутренней стенке каплеотбойной камеры в пределах трубопровода отвода газа, конусной нижней частью и сливными трубами, нижние концы которых расположены ниже концов сливных труб входной камеры и установлены в гидрозатворный стакан в нижней части корпуса, конусный экран, установленный ниже трубопровода отвода газа, и кольцевые сетчатые перегородки.

Новым является то, что во входной камере от периферии к центру концентрично друг под другом размещены кольцевые полки, причем верхняя кольцевая полка размещена напротив трубопровода подвода газожидкостной смеси и имеет высоту кольцевой полки, большую проходного диаметра трубопровода подвода газожидкостной смеси, причем высота кольцевых полок уменьшается сверху вниз, во входной камере выше трубопровода подвода газожидкостной смеси установлен лабиринтный сепарационный элемент, выполненный в виде трех кольцевых сетчатых перегородок, размещенных параллельно, при этом две из них закреплены снаружи к каплеотбойной камере, а одна кольцевая сетчатая перегородка размещена между ними и закреплена к вертикальному цилиндрическому корпусу, причем в кольцевых сетчатых перегородках перпендикулярно им и концентрично вертикальному цилиндрическому корпусу закреплены взаимообращенные друг к другу чередующиеся длинные и короткие кольцевые пластины, при этом между нижней кольцевой полкой и конической перегородкой установлены дополнительные кольцевые сетчатые перегородки с размерами ячеек сетки, уменьшающимися сверху вниз, причем в трубопроводе отвода газа за газоуровнительным трубопроводом установлен брызгоунос, выполненный в виде наклонных кольцевых лопаток со скошенным снизу сегментом.

На чертеже схематично изображен газожидкостной сепаратор.

Газожидкостной сепаратор состоит из вертикального цилиндрического корпуса 1, трубопроводов подвода газожидкостной смеси (ГЖС) 2, отвода газа 3, отвода жидкости 4.

Вертикальный цилиндрический корпус 1 разделен конической перегородкой 5 на входную 6 и каплеотбойную 7 камеры и снабжен газоуравнительным трубопроводом 8, соединяющим корпус 1 сепаратора с трубопроводом отвода газа 3.

Входная камера 6 снабжена сливными трубами 9 и концентрично установленной каплеотбойной камерой 7 с завихрителем, выполненным в виде винтовой полки 10, зафиксированной на внутренней стенке каплеотбойной камеры 7 в пределах трубопровода отвода газа 3, конусной нижней частью 11 и сливными трубами 12.

Сливные трубы 9 и 12, соответственно, входной камеры 6 и каплеотбойной камеры 7 установлены в гидрозатворный стакан 13 в нижней части корпуса 1, причем сливные трубы 12 каплеотбойной камеры 7 расположены ниже сливных труб 9 входной камеры 6.

Во входной камере 6 от периферии к центру концентрично друг под другом размещены кольцевые полки 14'…14ⁿ, например, четыре кольцевые полки: 14', 14'', 14''', 14''''. Верхняя кольцевая полка 14' размещена напротив подвода газожидкостной смеси 2 и имеет высоту кольцевой полки 14' - H₁, большую проходного диаметра - d подвода газожидкостной смеси 2, т.е. H>d, например на 0,1 м. Это позволяет исключить преждевременный перелив ГЖС из верхней кольцевой полки 14' в нижележащую кольцевую полку 14'' без заполнения верхней кольцевой полки 14' при вращении потока ГЖС.

Высота H₁, H₂, H₃, H₄, соответственно кольцевых полок 14', 14'', 14''', 14'''', уменьшается сверху вниз, например с шагом 0,25. Тогда: H₂=0,75⋅H₁, H₃=0,75⋅H₁, H₄=0,75⋅H₁.

Во входной камере 6 выше подвода газожидкостной смеси установлен лабиринтный сепарационный элемент, выполненный в виде трех кольцевых сетчатых перегородок 15', 15'', 15''', размещенных параллельно, при этом две из них 15', 15'' закреплены снаружи к каплеотбойной камере 7, а одна кольцевая сетчатая перегородка 15'', размещена между ними и закреплена к вертикальному цилиндрическому корпусу 1.

В кольцевых сетчатых перегородках 15', 15'', 15''', перпендикулярно им и концентрично вертикальному цилиндрическому корпусу 1 закреплены взаимообращенные друг к другу чередующиеся длинные 16 и короткие 17 кольцевые пластины.

Между нижней кольцевой полкой 14'''' и конической перегородкой 5 установлены дополнительные сетчатые перегородки 18 с размерами ячеек сетки, уменьшающимися сверху вниз.

Для отделения газа из жидкости размеры ячеек дополнительных кольцевых сетчатых перегородок 18 подбирают опытным путем, например, выполняют четыре дополнительные кольцевые сетчатые перегородки 18 с уменьшающимися сверху-вниз размерами ячеек сетки, например 0,5⋅0,5 мм; 0,4⋅0,4 мм; 0,3⋅0,3 мм, 0,2⋅0,2 мм; а кольцевые сетчатые перегородки 15', 15'', 15''' выполняют с размерами ячейки 0,1⋅0,1 мм.

Конусный экран 19 установлен ниже трубопровода отвода газа 3.

В трубопроводе отвода газа 3 за газоуровнительным трубопроводом 8 установлен брызгоунос, выполненный в виде наклонных кольцевых лопаток 20 со скошенным снизу сегментом.

Газожидкостной сепаратор работает следующим образом.

Газожидкостная смесь ГЖС (см. чертеж) тангенциально через трубопровод подвода ГЖС 2 подается во входную камеру 6 сепаратора, где поток ГЖС с вращением попадает на верхнюю кольцевую полку 14', заполняя ее. Достигнув верхней кромки верхней кольцевой полки 14' высотой H_1, ГЖС переливается по всему кольцевому периметру полки 14' в нижележащую кольцевую полку 14'', происходит ее заполнение.

Достигнув верхней кромки верхней кольцевой полки 14'' высотой H₂=0,75⋅H₁, ГЖС переливается по всему кольцевому периметру полки 14'' в нижележащую кольцевую полку 14''', происходит ее заполнение ГЖС.

Достигнув верхней кромки верхней кольцевой полки 14''' высотой H₃=0,5⋅H_1, ГЖС переливается по всему кольцевому периметру полки 14''' в нижележащую кольцевую полку 14'''', происходит ее заполнение ГЖС.

Достигнув верхней кромки верхней кольцевой полки 14'''' высотой H₃=0,25⋅H₁, ГЖС переливается по всему кольцевому периметру полки 14'''' вертикально вниз.

Благодаря переливаниям ГЖС сверху вниз последовательно по кольцевым полкам 14', 14'', 14''', 14'''' увеличивается действие гравитационных сил на процесс выделения газа из ГЖС, так как увеличивается площадь отстоя ГЖС в кольцевых полках 14', 14'', 14''', 14'''', также в процессе перелива происходит более интенсивное выделение газа из жидкости.

Кроме того, в отличие от прототипа, где разделение потока ГЖС происходит в направлении, перпендикулярном вертикальному цилиндрическому корпусу сепаратора в предлагаемой конструкции сепаратора при разделении потока ГЖС, жидкость переливается и отклоняется перпендикулярно вниз к дну вертикального цилиндрического корпуса 1 сепаратора, а газ вертикально вверх, т.е. задается направление движения жидкой и газовой фазы. Все это позволяет значительно повысить эффективность разделения ГЖС. Двигаясь вертикально вниз, жидкость последовательно сверху вниз ударяется о дополнительные кольцевые сетчатые перегородки 18 с уменьшающимися сверху-вниз размерами ячеек сетки: 0,5⋅0,5 мм; 0,4⋅0,4 мм; 0,3⋅0,3 мм, 0,2⋅0,2 мм, где происходит дополнительное отделение газа.

Повышается надежность работы устройства, так выполнение нескольких (четырех) дополнительных кольцевых сетчатых перегородок 18 с уменьшающимися сверху вниз размерами ячеек позволяет пропорционально размерам механических примесей, песка, шлама распределить их на разных кольцевых сетчатых перегородках 18, что исключает преждевременное засорение устройства и продлевает срок службы устройства до очистки или замены сетчатых элементов конструкции. Далее капли жидкости попадают на коническую перегородку 5, по которой стекают вниз в сливные трубы 9 и в гидрозатворный стакан 13. Из гидрозатворного стакана 13 жидкость переливается и попадает в нижнюю часть вертикального цилиндрического корпуса 1 сепаратора, откуда сливается через трубопровод отвода жидкости 4.

Газ, выделившийся из ГЖС на кольцевых полках 14', 14'', 14''', 14'''' и на дополнительных кольцевых сетчатых перегородках 18 и содержащий частицы жидкости, поднимается вверх и в верхней части корпуса 1 сначала проходит через лабиринтный сепарационный элемент, в котором газ с частицами жидкости движется сначала в направлении от периферии к центру между чередующимися длинными 16 и короткими 17 кольцевыми пластинами, заключенными между кольцевыми сетчатыми перегородками 15''' и 15''. Достигнув наружной стенки каплеотбойной камеры 7, поток газа с частицами жидкости меняет направление движения на 180° и движется в направлении от центра к периферии между чередующимися длинными 16 и короткими 17 кольцевыми пластинами, заключенными между кольцевыми сетчатыми перегородками 15'' и 15'.

Чередующиеся длинные 16 и короткие 17 кольцевые пластины установлены параллельно, что вынуждает поток газа с каплями жидкости изменить направление несколько раз внутри лабиринтного сепарационного элемента.

При изменении направления течения газа капли жидкости, обладающие большей плотностью и импульсом, продолжают движение по прямолинейной траектории и ударяются о поверхности длинных 16 и коротких 17 кольцевых пластин. Задержанные капли коалесцируют, укрупняются и под действием силы тяжести стекают по поверхности длинных 16 и коротких 17 кольцевых пластин сквозь кольцевые сетчатые перегородки 15', 15'', 15''' с размерами ячейки 0,1⋅0,1 мм и через дополнительные кольцевые сетчатые перегородки 18 и коническую перегородку 5 и сливную трубу 9 в гидрозатворный стакан 13.

В результате происходит сепарации газа с выделением частиц жидкости (до 90%) за счет коалесценции, т.е. укрупнение капель жидкости, выделяющихся из газа, благодаря чему ускоряется процесс сепарации газа.

Далее очищенный в лабиринтном сепарационном элементе от частиц жидкости газ поступает внутрь каплеотбойной камеры 7, где по винтовой полке 10 закручивается в поток, происходит выделение остатков капель жидкости (10%) из газа, при этом капли жидкости осаждаются на поверхность каплеотбойной камеры 7 и далее по ее конусной части 11 стекают через сливную трубу 12 в нижнюю часть вертикального цилиндрического корпуса 1 сепаратора и далее отводятся через трубопровод отвода жидкости 4, при этом конусный экран 19 предотвращает брызгоунос капель в трубопровод отвода газа 3. Газ, выделяющийся из жидкости, находящейся в нижней части вертикального цилиндрического корпуса 1, через газоуравнительный трубопровод 8 выводится в трубопровод отвода газа 3.

Сливные трубы 9 и 12 входной 6 и каплеотбойной 7 камер, соответственно, установлены в гидрозатворный стакан 13 на разных уровнях, сливная труба 12 ниже сливной трубы 9, что предотвращает прорыв газа из входной камеры 6 в газовое пространство сепаратора.

В случае поступления брызг вместе с газом в трубопровод отвода газа 3 через газоуравнительный трубопровод 8 в конструкции предлагаемого сепаратора предусмотрен брызгоунос, выполненный в виде наклонных кольцевых лопаток 20 со скошенным снизу сегментом, при этом капли разбиваются о кольцевые лопатки 20 и через их скошенные снизу сегменты и газоуравнительный трубопровод 8 стекают обратно в нижнюю часть вертикального цилиндрического корпуса 1 сепаратора.

В предлагаемом сепараторе благодаря наличию в его конструкции лабиринтного сепарационного элемента повышается качество отсепарированного газа, так как исключается образование пены в газовом пространстве на входе в каплеотбойную камеру за счет увеличения площади поверхности, по которой перемещается газ, содержащий частицы жидкости, что дает время для разрушения пузырьков пены, при этом происходит интенсификация процесса коалесценции, сопровождающаяся укрупнением капель и их стеканием в нижнюю часть корпуса сепаратора.

Предлагаемый газожидкостной сепаратор позволяет:

- повысить эффективность разделения газожидкостной смеси;

- повысить качество отсепарированного газа, поступающего в трубопровод отвода газа;

- повысить надежность работы устройства.