Результат интеллектуальной деятельности: ОТСТОЙНИК ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ

Предложение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к установкам для сбора и подготовки нефти и воды, и может быть использовано для разделения эмульсий.

Известен резервуар-отстойник для сбора и подготовки нефти, содержащий цилиндрическую емкость, распределитель вводимой в емкость эмульсии и сборники разделившихся нефти, воды и газа. Причем распределитель эмульсии выполнен в виде перфорированных труб, расположенных в горизонтальной плоскости по всему сечению резервуара-отстойника и идущих лучами из центра резервуара-отстойника к периферии (лучевой дырчатый маточник). [Лутошкин Г.С. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. - М.: Недра, 1979, стр.257, рис.100].

Известный резервуар-отстойник позволяет проводить обезвоживание нефти и первичную очистку пластовой воды за счет процессов коалесценции капель эмульгированной фазы и гравитационного разделения. Используемый в них распределитель эмульсии достаточно хорошо выполняет функцию равномерного распределения эмульсии по сечению емкости, что позволяет снизить скорость течения эмульсии до значений, практически не препятствующих протеканию процесса отстоя. Данные резервуары-отстойники широко используются на нефтепромыслах.

Недостатком описанного резервуара-отстойника является сложность конструкции, большая металлоемкость и трудоемкость монтажа распределителя эмульсии, а также сложность проведения работ по периодическому обслуживанию резервуара-отстойника и по очистке дна резервуара-отстойника от шлама. Кроме того, общие потоки эмульсии в резервуаре-отстойнике организованы так, что находятся в противотоке с отделяющимися продуктами (воды в нефтяной фазе и нефти в водной фазе). Сборники отделившихся фаз воды и нефти находятся ближе к отдельным элементам конструкции распределителя эмульсии, и для части потока время пребывания эмульсии, а значит и время ее отстоя является недостаточным для полного разделения фаз, так как часть потока неразделившейся эмульсии протекает по кратчайшему пути от входа к выходу. Кроме того, поступающая с нефтепромыслов на подготовку эмульсия содержит нефть, воду и растворенный газ. При движении эмульсии по подводящему трубопроводу происходит выделение из эмульсии этого растворенного газа. Газ, выделившийся в подводящем трубопроводе из эмульсии, также равномерно распределяется по горизонтальному сечению резервуара-отстойника и при его высоком содержании препятствует процессу разделения эмульсии вследствие барботажа газа через слой эмульсии и границу раздела фаз нефть-вода, что приводит к резкому ухудшению качества нефти.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является отстойник для разделения эмульсии, включающий вертикальную цилиндрическую емкость, V-образный распределитель эмульсии с присоединенными двусторонними перфорированными раздаточными гребенками и сборники разделенных фаз [а.с. СССР № 889033, кл. В 01 D 17/04, БИ № 46, от 15.12.81].

Известный отстойник имеет V-образный распределитель эмульсии в виде двух лучей труб, расположенный у стенки отстойника, и сборники отделившихся фаз у противоположной стенки отстойника. Такая конструкция менее громоздка и легче в монтаже, а также создает меньше помех при обслуживании отстойника. Общий поток эмульсии от входа к выходам продуктов не препятствует процессу отстоя. Газ, выделившийся из эмульсии в подводящем трубопроводе, при такой конструкции распределителя эмульсии осуществляет барботаж только через часть сечения отстойника и создает меньшую помеху процессу отстоя. Более рациональная организация потоков эмульсии позволяет повысить качество нефти и воды, получаемых на выходе из отстойника, или при том же качестве продуктов и одинаковых габаритах отстойника увеличить его производительность.

Недостатками известного отстойника являются сложность конструкции и большая металлоемкость распределителя эмульсии, а также недостаточно высокое качество нефти и воды, получаемых на выходе из отстойника. Это объясняется тем, что при использовании описанного распределителя эмульсии внутренний объем отстойника используется неэффективно вследствие нерационального распределения потока эмульсии. Кроме того, эмульсия, частично расслоившаяся на фазы в подводящем трубопроводе, вводится в отстойник через распределитель эмульсии единым потоком, что приводит к перемешиванию фаз при вводе в отстойник и при последующем барботаже газа через слой эмульсии во входной части сечения отстойника.

Технической задачей является упрощение конструкции, повышение эффективности процесса разделения эмульсии за счет изменения направления и характера движения потока в отстойнике и исключения повторного эмульгирования разделившихся фаз при барботаже выделившегося в подводящем трубопроводе газа через слой эмульсии.

Поставленная задача достигается предлагаемым отстойником для разделения эмульсии, содержащим вертикальную цилиндрическую емкость, распределитель эмульсии, сборники разделенных фаз, расположенные у противоположной от распределителя эмульсии стенки емкости.

Новым является то, что распределитель эмульсии выполнен в виде горизонтально расположенного патрубка ввода эмульсии и набора расположенных последовательно друг за другом соосно патрубку ввода эмульсии отбойников-направляющих, представляющих собой установленные с зазором относительно друг друга и патрубка ввода эмульсии полые усеченные конусы, жестко зафиксированные между собой и с патрубком ввода эмульсии, и имеющие внутренние диаметры и углы раскрытия, уменьшающиеся по мере удаления от торцевой части патрубка ввода эмульсии, а последний отбойник-направляющий представляет собой полный конус, причем вершины конусов направлены в сторону патрубка ввода эмульсии, при этом на патрубке ввода эмульсии по верхней образующей установлена вертикальная газоотводящая труба, верхний конец которой расположен в газовой зоне отстойника.

В известных источниках научно-технической и патентной литературы отсутствует аналогичная совокупность существенных признаков. Не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предлагаемого решения. Таким образом, можно сделать вывод, что предлагаемое решение соответствует условиям патентоспособности по новизне и по изобретательскому уровню.

На фиг.1 изображен общий вид отстойника для разделения эмульсии.

На фиг.2 изображен общий вид распределителя эмульсии.

На фиг.3 изображен распределитель эмульсии в разрезе с указанием потоков эмульсии.

На фиг.4 изображен распределитель эмульсии для отстойника - резервуар вертикальный стальной (РВС) - 1000.

Отстойник для разделения эмульсии состоит из вертикальной цилиндрической емкости 1, сборников нефти 2, воды 3 и газа 4 и подводящего трубопровода 5, распределителя эмульсии 6, находящегося внутри емкости и расположенного у противоположной от сборников нефти, воды и газа стенки емкости (фиг.1). Распределитель эмульсии 6 установлен соосно подводящему трубопроводу 5 и состоит из патрубка ввода эмульсии 7, отбойников-направляющих 8 и 9, соединительных элементов 10 и газоотводящей трубы 11, жестко зафиксированных на патрубке ввода эмульсии (фиг.2).

Отстойник для разделения эмульсии работает следующим образом.

По подводящему трубопроводу 5 эмульсия поступает через распределитель эмульсии 6 в вертикальную цилиндрическую емкость 1. При движении эмульсии по подводящему трубопроводу происходит ее предварительное расслоение на свободный газ, эмульсию и свободную воду. При этом свободный газ и свободная вода движутся в подводящем трубопроводе соответственно вдоль его верхней и нижней образующих. При поступлении эмульсии в распределитель эмульсии свободный газ, находящийся у верхней образующей подводящего трубопровода, отводится в верхнюю 12 (газовую) зону емкости по газоотводящей трубе 11, установленной внутри отстойника по верхней образующей горизонтально расположенного патрубка ввода эмульсии 7, а основной поток эмульсии без свободного газа поступает в нижнюю часть отстойника в зону раздела фаз нефти и воды, с противоположной от сборников нефти 2 и воды 3 стенки емкости. Сборники нефти и воды располагаются соответственно в нефтяной зоне 13 и в водной зоне 15. Использование вертикальной газоотводящей трубы необходимо для предотвращения повторного перемешивания отделившейся нефти с поступающей в отстойник эмульсией при барботаже газа через промежуточный слой 14 и слой нефти 13 в отстойнике.

Для решения поставленной технической задачи поток эмульсии, поступающий в отстойник через распределитель эмульсии, разбивается отбойниками-направляющими 8 и 9 на n равных по площади сечения частей (n - количество отбойников-направляющих в распределителе эмульсии) и направляется в разные стороны (фиг.3). Отбойники-направляющие 8 и 9 установлены соосно патрубку ввода эмульсии 5 и жестко зафиксированы на нем посредством соединительных элементов 15. Отбойники-направляющие 8 представляют собой расположенные последовательно друг за другом полые усеченные конусы с различными углами раскрытия. Вершины усеченных конусов направлены в сторону патрубка ввода эмульсии, диаметры большего основания всех усеченных конусов 8 равны и должны быть на 5% больше внутреннего диаметра патрубка ввода эмульсии 5. Углы раскрытия усеченных конусов и диаметр меньшего основания (проходного отверстия) каждого следующего усеченного конуса пропорционально уменьшаются по мере удаления от торцевой части патрубка ввода эмульсии таким образом, что каждый из усеченных конусов отсекает 1/n - площади сечения потока эмульсии. Отбойники-направляющие 8 не вложены друг в друга, а расположены с зазором, видимым в горизонтальной проекции. Кроме того, расстояние между большим основанием предыдущего усеченного конуса или между торцевой частью патрубка ввода эмульсии для первого усеченного конуса и меньшим основанием последующего усеченного конуса должно быть равным F/(π·n·d₁), где d₁ - диаметр меньшего основания последующего усеченного конуса, F - площадь сечения патрубка ввода эмульсии, зависящая от объема и производительности отстойника. Кроме того, последний отбойник-направляющий 9 представляет собой полный конус, вершина которого также направлена в сторону патрубка ввода эмульсии и находится на расстоянии, равном F/(π·n·d₂), от меньшего основания предыдущего усеченного конуса, где d₂ - диаметр меньшего основания предыдущего усеченного конуса. Последняя направляющая гасит энергию центральной струи потока эмульсии, разводя поток в стороны. Зазор между отбойниками-направляющими задан, таким образом, что они не создают стесненный поток, а гасят и направляют в толще эмульсии практически свободно изливающиеся струи.

Движение эмульсии в предлагаемом отстойнике осуществляется единым фронтом по всему объему отстойника без застойных зон, что способствует более эффективному использованию внутреннего объема отстойника. Кроме того, расположение распределителя эмульсии в отстойнике на стороне, противоположной сборникам разделенных фаз, способствует тому, что путь прохождения потока эмульсии от распределителя эмульсии к сборникам разделенных фаз максимален. Соответственно время отстоя эмульсии увеличивается, а следовательно, и качество получаемых на выходе из отстойника разделенных фаз повышается. Таким образом, применение предлагаемого отстойника позволяет повысить эффективность процесса разделения эмульсии.

Конструкция распределителя эмульсии по сравнению с известными распределителями менее металлоемка, проще в изготовлении и монтаже. Кроме того, конструкция распределителя эмульсии не препятствует проведению работ по обслуживанию отстойника и по очистке дна отстойника от шлама.

Пример конкретного исполнения.

Проведенные лабораторные исследования по определению оптимальной конструкции отстойника для разделения эмульсии показали, что предлагаемая конструкция отстойника является наиболее эффективной.

Сущность экспериментов заключалась в следующем. Эмульсия насосом подавалась в модель отстойника. Применявшаяся при проведении экспериментов эмульсия имеет плотность ρ=1000 кг/м³ и вязкость μ=1 мПа·с. В качестве модели отстойника использовалась емкость высотой 350 мм, диаметром 300 мм и рабочим объемом 20 литров. Модель отстойника была снабжена распределителем эмульсии и сборниками разделенных фаз. Распределитель эмульсии расположен на высоте 50 мм от дна отстойника. Сборники разделенных фаз расположены на высоте 40 мм и 300 мм от дна модели отстойника, у противоположной от распределителя эмульсии стенки емкости. При установлении стационарного режима подачи эмульсии в модель отстойника, равного 20 л/час, что соответствует жесткому режиму эксплуатации отстойника, перед моделью отстойника в поток эмульсии вводился краситель. Введение красителя в поток обеспечивало возможность визуального наблюдения за распределением и направлением движения потоков эмульсии в модели отстойника и определение момента появления первых порций красителя на выходе из модели отстойника через сборники разделенных фаз, т.е. время отклика, при использовании различных конструкций распределителя эмульсии.

При проведении экспериментов были исследованы несколько конструкций отстойника, в том числе аналог, прототип и предлагаемый отстойник для разделения эмульсии. При этом предлагаемый отстойник был снабжен распределителем эмульсии, состоящим из горизонтально расположенного патрубка ввода эмульсии, трех расположенных последовательно друг за другом соосно патрубку ввода эмульсии отбойников-направляющих и вертикальной газоотводящей трубы. Диаметр патрубка ввода эмульсии составляет 15 мм. Отбойники-направляющие представляют собой установленные с зазором относительно друг друга и патрубка ввода эмульсии полые конусы, жестко зафиксированные между собой и с патрубком ввода эмульсии. Два первых отбойника представляют собой полые усеченные конусы с внутренними диаметрами и углами раскрытия, уменьшающимися по мере удаления от торцевой части патрубка ввода эмульсии. При этом их внутренние диаметры равны соответственно 12,2 мм и 8,7 мм, наружные диаметры равны 15,75 мм, а углы раскрытия - 120° и 90°. Первый отбойник-направляющий расположен на расстоянии 4,6 мм от патрубка ввода эмульсии, второй отбойник-направляющий расположен на расстоянии 3,2 мм от первого, а третий отбойник-направляющий расположен так, что вершина его конуса находится на расстоянии 2,15 мм от меньшего основания предыдущего отбойника-направляющего. Последний отбойник-направляющий представляет собой полный конус высотой 7 мм, с углом раскрытия 45°. Кроме того, вершины конусов направлены в сторону патрубка ввода эмульсии.

Так как на эффективность процесса разделения эмульсии существенным образом влияет время нахождения эмульсии в отстойнике (время отстоя), то для выбора оптимальной конструкции отстойника определялось время отклика и изменение во времени концентрации красителя в эмульсии на выходе из модели отстойника, определяемые с помощью фотометра КФК-3. Результат экспериментов приведен в таблице 1.

Из представленных в таблице 1 данных видно, что время отклика для предлагаемого отстойника максимально, следовательно, и время нахождения эмульсии в отстойнике, т.е. время отстоя, будет максимальным. Опыт эксплуатации установок и лабораторные исследования процесса разделения эмульсии и в частности процесса разделения водонефтяной эмульсии показывают, что при прочих равных условиях, чем больше время отстоя, тем выше качество разделенных фаз.

Для сравнения качества получаемых на выходе из отстойника разделенных фаз при использовании различных распределителей эмульсии были проведены опыты. В качестве эмульсии применялась приготовленная в лабораторных условиях смесь, состоящая из трансформаторного масла обводненностью 40%. Из газового баллона в приготовленную эмульсию перед моделью отстойника подавался углекислый газ в объеме 1 м³/м³.

При проведении экспериментов использовались прототип и предлагаемый отстойник для разделения эмульсии, причем предлагаемый отстойник для разделения эмульсии, снабженный распределителем эмульсии, испытывался как с применением газоотводящей трубы, так и без нее. При проведении экспериментов определялось качество разделенных фаз на выходе из отстойника. Результаты проведенных экспериментов представлены в таблице 2.

Из приведенных в таблице 2 данных видно, что качество получаемых на выходе из модели отстойника продуктов при применении предлагаемого отстойника выше, чем при применении прототипа или предлагаемого отстойника, снабженного распределителем эмульсии без газоотводящей трубы.

На фиг.4 представлены основные размеры распределителя эмульсии, устанавливаемого в отстойник для разделения эмульсии РВС-1000, применяемый на нефтяных промыслах для разделения эмульсий.

Предлагаемый отстойник для разделения эмульсии дает возможность снижения затрат на изготовление, монтаж и обслуживание отстойника. Кроме того, повышается качество разделения эмульсии на 20-35%, что в конечном итоге приводит к повышению эффективности процесса разделения эмульсии.