способ разделения водогазонефтяной смеси

Формула изобретения

Способ разделения водогазонефтяной смеси, включающий перемещение потока водогазонефтяной смеси в ламинарном режиме, предварительное расслоение смеси на фазы, разделение ядра потока на группу автономных потоков, перемещение автономных потоков в группе параллельно друг другу с одновременным расслоением на фазы каждого потока с последующим слиянием их в общий поток, отличающийся тем, что после предварительного расслоения смеси на фазы дополнительно подвергают разделению на группу автономных потоков каждую из фаз смеси, осуществляют контактирование всего объема автономных потоков нефтяной и газовой фаз с гидрофильной поверхностью по всей длине их движения, а водной фазы – с гидрофобной поверхностью, при этом перемещение автономных потоков осуществляют по рядам под углом 0,3-0,5 к горизонтальной оси снизу вверх, а слияние автономных потоков нефтяной и газовой фаз в общий поток осуществляют ступенчато по рядам с шагом не менее 50-100 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности, в частности к способам транспортирования и разделения продукции нефтяных скважин при сборе, подготовке и транспорте преимущественно высоковязких нефтей.

Известен способ разделения газоводонефтяной смеси, включающий перемещение потока в ламинарном режиме, расслоение его на фазы, отбор нефти отдельными потоками из-под слоя пены и отбор воды и части газа с границы раздела фаз "газ-вода" [А.С. СССР 1367996, кл. В 01 D 19/00, опубл. БИ 3 от 23.01.88 г.].

Способ позволяет повысить эффективность разделения пенистых высоковязких эмульсий за счет увеличения времени контакта на границе нефти с газом и водой.

Недостатком способа является низкое качество нефти и воды, получаемых при разделении эмульсии. Это объясняется тем, что процесс разделения осуществляется только лишь в области контакта нефти (эмульсии) с водой и газом. Эффективность разделения водогазонефтяной смеси за счет гравитационного осаждения капель воды в нефти и подъема капель нефти в воде является низкой.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является способ разделения водогазонефтяной смеси, включающий перемещение потока водогазонефтяной смеси в ламинарном режиме, предварительное расслоение смеси на фазы, разделение ядра потока на пучок потоков и после расслоения каждого потока в пучке на фазы - слияние их в общий поток и перемещение потока после слияния в наклонном направлении при встречном барботировании пузырьками газа с химическим составом, идентичным или эквивалентным отслоенной газовой фазе [Патент РФ 2094079, кл. В 01 D 17/00, 19/00, БИ 30 от 27.10.97 г.]. (Так как пучка потоков в технике не существует, этот термин нами далее не применяется и заменен на термин - группа автономных потоков).

Способ позволяет повысить эффективность разделения водогазонефтяной смеси за счет интенсификации процесса расслоения ядра потока (эмульсии) и уменьшения времени осаждения капель воды и подъема газовых пузырьков в слое нефти в каждом автономном потоке при ламинарном его движении.

Недостатком способа является то, что эффективность отделения мелких капель нефти в водной фазе расслоившегося потока остается низкой. Кроме того, использование полиэтиленовых труб, имеющих гидрофобную поверхность, для обработки ядра потока нефтяной эмульсии не позволяет эффективно удалять из нефти мельчайшие (50 мкм и менее) капли воды, которые после вливания ядра потока в общий поток барботируются пузырьками газа, поднимающимися вверх и укрупнившимися в каждом автономном потоке. Это способствует флотации капель воды этими пузырьками и вызывает вторичное перемешивание потока и вынос капель в верхние слои нефти, уже частично освободившейся от капель воды. Описанные недостатки не позволяют достичь необходимого качества разделения водогазонефтяной смеси.

Технической задачей предлагаемого способа разделения водогазонефтяной смеси является повышение качества разделения водогазонефтяной смеси.

Поставленная техническая задача решается описываемым способом разделения водогазонефтяной смеси, включающим перемещение потока водогазонефтяной смеси в ламинарном режиме, предварительное расслоение смеси на фазы, разделение ядра потока на группу автономных потоков, расслоение каждого из потоков в группе на фазы с последующим слиянием их в общий поток, при этом разделению на группу автономных потоков дополнительно подвергают каждую из фаз смеси после ее предварительного расслоения, при этом перемещение автономных потоков осуществляют параллельно друг другу по рядам под углом 0,3-0,5^o к горизонтальной оси снизу вверх при контактировании нефтяной и газовой фаз автономных потоков с гидрофильной поверхностью по всей их длине, а водной фазы - с гидрофобной поверхностью, причем слияние водной фазы автономных потоков в общий поток осуществляют одновременно, а нефтяной и газовой фаз автономных потоков - ступенчато по рядам.

Предлагаемая совокупность отличительных признаков позволяет повысить качество разделения водогазонефтяной смеси за счет разделения всего потока водогазонефтяной смеси после ее предварительного расслоения на группу автономных параллельных потоков и контактирования нефтяной и газовой фаз потока с гидрофильной поверхностью, а водной фазы потока - с гидрофобной поверхностью при перемещении каждой фазы потока в автономных параллельных потоках под углом 0,3-0,5^o к горизонтальной оси снизу вверх.

Исследованиями установлено, что деэмульсация нефти с использованием твердых поверхностей основана на явлении селективного смачивания, сущность которого та же, что и явлений, сопровождающих адсорбцию. Если взаимодействие молекул жидкости с молекулами твердого вещества сильнее, чем между собой, то жидкость растекается по поверхности, т.е. смачивает ее. Если молекулы жидкости взаимодействуют между собой значительно сильнее, чем с молекулами твердого вещества, то растекания в этом случае не произойдет, а жидкость соберется на поверхности в каплю. Смачивание жидкостью поверхности твердого тела можно объяснить как результат действия сил поверхностного натяжения. Жидкость тем лучше смачивает твердое тело, чем меньше взаимодействие между ее молекулами. Неполярные жидкости (нефть) с малым поверхностным натяжением (20-30 дин/см) обычно хорошо смачивают твердые поверхности, которые в основном являются гидрофобными. Вода с большим поверхностным натяжением (72,5 дин/см при 20^oС) смачивает лишь некоторые тела (стекло, кварц), которые относятся к гидрофильным поверхностям.

Перемещение каждой фазы в автономных потоках под углом 0,3-0,5^o к горизонтальной оси снизу вверх позволяет повысить эффект разделения нефти и воды за счет устойчивого существования водной подложки в разделительных элементах, образующих группу автономных потоков нефтяной фазы, и своевременного удаления нефтяной пленки из разделительных элементов, образующих группу автономных потоков водной фазы. Водная подложка у нижней образующей разделительных элементов автономных потоков нефтяной фазы формируется за счет гравитационного осаждения капель воды из водогазонефтяной смеси и стекания водяной пленки, образующейся на гидрофильной поверхности разделительных элементов.

Способ разделения водогазонефтяной смеси осуществляют в следующей последовательности.

Поступающий поток водогазонефтяной смеси направляется в трубопровод, в котором поток разделяется на три фазы - газ с пеной, нефть с остаточным содержанием воды и газа и воду с мельчайшими каплями нефти. По ходу движения поток разделяется по фазам на группы автономных потоков, которые формируются за счет использования разделительных элементов. В нефтяной и газовой зонах трубопровода установлены разделительные элементы, имеющие гидрофильную поверхность, а в водной зоне - разделительные элементы, имеющие гидрофобную поверхность.

В верхней части трубопровода поток газа совместно с пеной перемещается по группе параллельных автономных потоков, сформированных разделительными элементами с гидрофильной поверхностью. Пена, проходя в этой группе потоков, эффективно разрушается за счет большой удельной поверхности. По мере движения пузырьки газа увеличиваются в размерах, образуя крупноячеистую пену. Далее начинается дифференциация пенистой структуры. Одновременно с появлением границы раздела "пена - нефть" в каждом автономном параллельном потоке этой группы появляется свободный газ вдоль верхней образующей разделительных элементов. С появлением свободного газового пространства процесс разрушения пены существенно ускоряется, так как отсутствие контакта пены с верхней образующей разделительных элементов интенсифицирует отток жидкости из пены и процесс испарения легких фракций нефти, что приводит к нарушению стабильности пленок. Ускоренному разрушению пены способствует так же трение пенистой структуры о поверхность разделительных элементов при ее движении. Возникновение сдвиговых деформаций создает напряжение на пленках пены, что влечет за собой ее ускоренную деструкцию. При объединении автономных параллельных потоков в общий поток газ скапливается у верхней образующей трубопровода, а пленка нефти, образующаяся на внутренней поверхности разделительных элементов, стекает в нефтяную зону.

В средней части трубопровода поток нефти, содержащий пузырьки газа и мельчайшие капли воды, перемещается по группе параллельных автономных потоков, сформированных разделительными элементами, имеющими гидрофильную поверхность. Учитывая, что высота потока в каждом параллельном автономном потоке группы сравнительно небольшая, пузырьки газа, двигающиеся в автономном потоке нефти, успевают всплыть к верхней образующей разделительных элементов и, находясь там под гидростатическим давлением, коалесцируют, укрупняются и, при слиянии автономных потоков в общий, всплывают в газовую зону трубопровода.

Капли воды, находящиеся в нефти, при ее перемещении по группе параллельных автономных потоков под действием силы тяжести оседают к нижней образующей разделительных элементов, формируя водяную подложку в них. В дальнейшем капли воды, осевшие в потоке к границе раздела фаз "нефть - вода", коалесцируют с этим слоем. Мелкие капли воды, не осевшие в автономных потоках, за счет большой удельной поверхности соприкасаются с гидрофильной поверхностью разделительных элементов, происходит адгезия капель жидкости с образованием пленки воды, которая стекает в водяную подложку. Верхний слой водяной подложки под действием сил вязкостного трения в потоке постоянно уносится из трубы, а нижний слой за счет обратного наклона трубы под углом 0,3-0,5^o снизу вверх остается, способствуя лучшей коалесценции капель воды. При слиянии автономных потоков в общий отделившаяся вода оседает в нижнюю часть трубопровода, т.е. в свободную водную фазу.

В нижней части трубопровода поток воды так же движется по группе параллельных автономных потоков, сформированных разделительными элементами, имеющими гидрофобную поверхность, где происходит очистка воды от мельчайших капель нефти и твердых взвешенных частиц (ТВЧ) за счет большой удельной поверхности и эффекта смачивания при движении потока по ним. Капли нефти, двигаясь в водяном потоке, соприкасаются с гидрофобной поверхностью разделительных элементов. За счет проявления эффектов адгезии капель нефти на поверхности этих элементов осуществляется их слияние и укрупнение с образованием нефтяной пленки, движущейся по верхней образующей каждого элемента группы автономных потоков. После этого пленка нефти под действием сил вязкостного трения в потоке транспортируется до слияния автономных потоков в общий. При слиянии автономных потоков в общий укрупненные капли нефти в виде струек всплывают в нефтяную зону трубопровода, где осуществляют отбор нефти.

Экспериментально установлено, что перемещение автономных потоков в разделительных элементах под углом 0,3-0,5^o снизу вверх к горизонтальной оси потока является оптимальным для эффективного отделения капель воды от нефтяной фазы и удаления капель нефти из водной фазы. При уменьшении угла менее 0,3^o во всех разделительных элементах, расположенных в нефтяной фазе, сформированная водяная подложка по нижней образующей этих элементов существует недолго и быстро выносится из них, что не позволяет получить достаточно крупные водяные включения (струйки) для последующего быстрого их осаждения в объеме нефти при слиянии автономных параллельных потоков в общий. Нефтяная пленка, сформировавшаяся по верхней образующей разделительных элементов, расположенных в водной фазе и содержащая нефть, мельчайшие капли воды и механические примеси в ней, обладая повышенными вязкостными характеристиками, напротив, медленно выносится водой из них в виде струек отдельными порциями и постепенно формирует в элементе слой нефти определенной толщины. При этом основная часть гидрофобной поверхности разделительных элементов по верхней образующей, где концентрируется основная масса нефти и механических примесей, не смачивается новыми каплями нефти, которые, не укрупняясь, так же выносятся автономным потоком воды из разделительного элемента вместе с укрупнившимися струйками. При увеличении угла наклона свыше 0,5^o быстро сформированная уже на начальных участках разделительных элементов, находящихся в нефтяной фазе, водяная подложка начинает движение в противотоке с нефтяной фазой, что приводит к перемешиванию уровня раздела фаз "нефть - вода" и снижает ранее достигнутый эффект от разделения фаз. Нефтяная пленка в разделительных элементах, расположенных в водной зоне, напротив, не успевает сформироваться до величины, обеспечивающей образование крупных нефтяных включений, и в виде мелких нефтяных струек уносится водяным потоком из пучка.

Слияние автономных потоков газовой и нефтяной фаз в общий поток ступенчато по рядам позволяет предотвратить контакт пузырьков газа и капель воды при их встречном движении во время слияния потоков. Газ, выделившийся из нефти в разделительных элементах нижнего ряда автономных потоков, движется вдоль верхней образующей и при выходе смеси из них, подчиняясь закону Архимеда, стремится всплыть вверх. А капли воды, выделившиеся в разделительных элементах верхнего ряда, скапливаются у нижней образующей и, при слиянии автономных потоков в общий, из-за разности плотностей воды и нефти осаждаются в нижнюю часть трубопровода. Поэтому, для предотвращения встречного движения капель воды, выделившихся в верхних разделительных элементах, и пузырьков газа, выделившихся в нижних разделительных элементах, обеспечивается ступенчатый вывод автономных потоков. При этом пузырьки газа, выделившиеся в низлежащих разделительных элементах, проходят вверх по щелям между верхлежащими разделительными элементами. Таким образом, всплывающие пузырьки газа не встречаются с осаждающимися каплями воды, что исключает их повторное перемешивание и вынос капель воды пузырьками газа в нефтяную фазу. Исследования показывают, что в условиях ламинарного течения смеси ступенчатый вывод потоков с шагом по рядам в интервале 50 - 100 мм является достаточным для предотвращения столкновения капель воды и пузырьков газа.

Таким образом, водогазонефтяная смесь при перемещении каждой фазы после предварительного расслоения по трубопроводу автономными потоками успевает качественно разделиться на нефть, газ и воду, причем газ скапливается в верхней части трубопровода, нефть - в средней части, а вода - в нижней части.

Применение предлагаемого способа позволяет осуществлять более эффективное разделение водогазонефтяной смеси и существенно повысить качество нефти и пластовой воды.

Результаты лабораторных исследований на модельном трубопроводе диаметром 68 мм и длиной 5 м с разделительными элементами в виде стеклянных и полиэтиленовых трубок диаметром 10 мм и длиной 3 м представлены в табл.1.

Пример конкретного исполнения способа разделения водогазонефтяной смеси.

Водогазонефтяную смесь Ромашкинского месторождения в количестве 1670 м³/сут с обводненностью 40% и газовым фактором 17,4 м³/т направляли в концевой делитель фаз (КДФ), представляющий собой трубопровод диаметром 1200 мм и длиной 60 м, где она расслаивалась на три фазы - газ, нефть и воду. На расстоянии 15 м от начала трубопровода по всему его сечению были установлены разделительные элементы в виде труб диаметром 68 мм и длиной 12 м. В водной (нижней) части - полиэтиленовые трубы, в нефтяной и газовой (средней и верхней) - металлические остеклованные трубы. Угол наклона разделительных элементов 0,3-0,4^o. Газ, нефть и воду после КДФ отбирали отдельными потоками. Результаты промышленного применения предлагаемого способа разделения водогазонефтяной смеси представлены в табл.2.

Анализ представленных результатов показывает, что при использовании предлагаемого способа повышается качество разделения водогазонефтяной смеси по сравнению с прототипом за счет снижения содержания воды в нефти в 2,4 раза, содержания нефти и ТВЧ в воде на выходе из трубопровода в 1,2-1,3 раза соответственно.