Отстойная аппаратура

Ообъемные аппараты

Проблема создания высокопроизводительной отстойной ап­паратуры в последние годы стала одной из наиболее актуальных. Вы­сокие темпы увеличения объемов добычи и подготовки нефти, ее концентрация в огромных количествах на центральных сборных пунктах потребовали создания отстойных аппаратов высокой произ­водительности. Применение отстойной аппаратуры с прежними тех­нологическими характеристиками неизбежно приводит к созданию дорогостоящих и металлоемких промышленных комплексов, отчуж­дению под технологические площадки больших земельных участков, использованию значительного числа контрольной, регулирующей аппаратуры и запорных устройств, усложнению обслуживания и т.д.

Совершенствование конструкции отстойных аппаратов до недавнего времени развивалось в двух направлениях:

- улучшение гидродинамики потока внутри аппаратов для более полного использования их полезного объема (распределитель­ные устройства, отстойники и т.д.) рис.7.20;

- интенсификация процессов коалесценции глобул пластовой воды и отделения ее от нефти (перегородки, изменяющие направле­ние потока, ввод эмульсии под слой воды, применение электрическо­го поля, вибровоздействия на граничный слой и т.д.) см. рис. 7.20.

Однако при этом достигнутый уровень производительности оказывался невысоким и задача по-прежнему оставалась практически нерешенной. Так, загрузка лучших отстойных аппаратов по жидкости объемом 200 м³ составляет 1,2 - 1,3 млн.т/год. Задача же состоит в том, чтобы создать аппараты производительностью, превышающей этот уровень в несколько раз. Теоретические предпосылки, объяс­няющие возможность достижения этого уровня, сводятся к следующему.

Рис. 7.20. Принципиальные схемы отстойных аппаратов различного типа: а – с перфорированной решеткой; б – с нижним распределенным вводом под слой дренажной воды и верхним распределенным отводом нефти; в – с секционным каплеобразователем, нижним распределенным вводом эмульсии и верхним распределенным отводом нефти; г – вертикальный с секционным каплеобразователем и нижним распределенным вводом эмульсии под слой дренажной воды; д – с торцевыми распределительными устройствами для ввода эмульсин и отвода нефти; е – с переливной перегородкой и промывкой нефти в слое дренажной воды

Производительность горизонтальных аппаратов цилиндриче­ской формы может быть рассчитана по формуле, пригодной для ка­пель размером менее 0,1 мм (режим осаждения - ламинарный) (7.17)

, (7.17)

где Q_л - производительность;

g - ускорение свободного падения;

d -диаметр глобул пластовой воды;

Dr - разница плотностей воды и нефти;

L - длина аппарата;

R - радиус аппарата;

h - высота водяной подушки;

n - кинематическая вязкость нефти;

r_н - плотность нефти.

При h = 0 формула принимает вид:

. (7.18)

Из формулы (7.18) видно, что производительность отстойника зависит от размеров глобул пластовой воды во второй степени. Так увеличение размеров капель только в 3,3 раза приведет к повышению производительности отстойников в 10 раз. Другие же параметры влияют на производительность отстойников линейно. Отсюда следу­ет, что для увеличения производительности отстойных аппаратов по­следние должны быть снабжены устройствами, способными укруп­нять капли еще до того как эмульсия попадает в зону отстоя. Этому должно предшествовать завершение массообменных процес­сов по доведению реагента до каждой глобулы пластовой воды и раз­рушению на них бронирующих оболочек. При увеличении размеров капель до 0,1 мм и более скорость осаждения возрастает, режим оса­ждения становится турбулентным и производительность отстойника определяется формулой (7.19)

. (7.19)

Анализ формул (7.18) и (7.19), а также их сопоставление пока­зывает, что Q_т на два порядка больше Q_л. Следовательно, теоретиче­ски производительность отстойных аппаратов при условии предвари­тельного укрупнения капель может быть повышена в 100 раз. Если учесть ряд факторов, ограничивающих возможность увеличения про­изводительности отстойных аппаратов до этого уровня в практиче­ских условиях, то возможная загрузка аппаратов оказывается в 10 раз выше достигнутой. Для этого необходимо:

- осуществлять предварительное укрупнение капель эмульсии до их введения в зону отстоя или расслоение эмульсии;

- обеспечивать верхний торцевой ввод жидкости по сечению аппарата, а также равномерный отбор жидкости;

- поддерживать низкий уровень водяной подушки или прак­тически исключать ее;

- исключать из отстойной зоны аппарата операцию «промыв­ки» эмульсии через слой дренажной воды.

Устройствами, которые позволяют увеличить размер капель перед поступлением эмульсии на отстой, могут быть трубчатые и объемные каплеобразователи гидродинамического типа. Трубчатые каплеобразователи уже получили широкое распространение на ме­сторождениях, объемные находятся на стадии разработки. Их приме­нение позволило в отдельных случаях повысить производительность отстойных аппаратов объемом 200 м³ до 4,05 млн.т/год (Бирючевская ТХУ объединения Татнефть).

При сохранении производительности без изменения исполь­зование каплеобразователей позволяет улучшить качество нефти в 5-10 раз.

Применявшаяся ранее промывка эмульсии через водный слой при обработке неразрушенной эмульсии, безусловно, играла поло­жительную роль, так как способствовала снижению прочности бро­нирующих оболочек на каплях пластовой воды и переходу значи­тельного их числа в объем дренажных вод. При осуществлении про­цесса разрушения эмульсии и коалесценции капель в каплеобразователях необходимость в промывке отпадает, а ее исключение позволя­ет повысить производительность отстойников, так как при этом ста­новится невозможным вынос части капель восходящим потоком неф­ти.

Производительность отстойников прямоугольного сечения при условии движения жидкости перпендикулярно направлению си­лы тяжести (торцевой ввод) определяется равенством:

,

где w'_с.о - скорость осаждения.

Максимальная производительность отстойника с нижним вводом определяется равенством скоростей восходящего потока и осаждения капель в зоне границы раздела фаз нефть-вода, размер ко­торых учитывается при расчете

где w''_с.о = w'_с.о - w_ж - результирующая скорость осаждения;

w_ж - скорость восходящего потока жидкости.

Однако , отсюда , следовательно

или

.

Соотношение Q'/Q'' дает выражение

,

откуда следует, что производительность отстойников с торцевым распределенным в плане вводом в реальных условиях может быть в два раза выше производительности отстойника с нижним распределен­ным вводом, работающего с водяной подушкой, поскольку . Промышленные испытания показали, что производительность отстойного аппарата с каплеобразователем и торцевым распределен­ным в плане вводом может быть доведена до 9 млн.м³/год (рис.7.21).

Рис. 7.21. Зависимость качества нефти от производительности отстойных аппаратов: 1 - отстойник с нижним распределенным вводом и промывкой эмульсии в слое воды; 2 - отстойник с секци­онным каплеобразователем и торцевым распределенным вводом; Dw - остаточное содержание воды в нефти

Достигнутая в практических условиях максимальная произво­дительность отстойника на ступени обезвоживания составила 4 млн.т/год. На ступени обессоливания для девонских нефтей (ромашкинская) испытаны отстойники производительностью 2,1 - 3,6 млн.т/год. Если учесть, что средняя загрузка отстойных аппаратов на традиционной установке составила 0,167 млн.т/год, то станет очевид­но, какими резервами располагает промышленность. Для нефтей по­вышенной вязкости максимальная производительность отстойников составила 2,7 млн.т/год, что, однако, тоже не является пределом.

Выбор объемных отстойных аппаратов

Производительность отстойной аппаратуры промысловых и заводских установок подготовки нефти определяется степенью дис­персности капель воды, вязкостью нефти и другими параметрами, влияющими на скорость расслоения водонефтяных эмульсий. Ре­шающее влияние на увеличение производительности отстойных ап­паратов при прочих равных условиях оказывают технологические приемы, направленные на степень укрупнения капель пластовой воды перед отстоем эмульсии. При осаждении большого числа капель ско­рость стесненного падения w определяется не только параметрами, входящими в выражение закона Стокса, но и соотношением объемов фаз эмульсии. На основе экспериментальных исследований стесненного осаждения предложена учитывающая этот фактор эмпи­рическая зависимость, которая после некоторых преобразований мо­жет быть представлена следующим образом:

, (7.20)

где m_н - фактическая вязкость нефти, П;

Dr - разность плотностей воды и нефти, г/см³;

g - ускорение свободного падения;

d - диаметр капель, см;

w - относительная величина обводненности нефти;

n_н -кинематическая вязкость нефти, Ст;

r_н - плотность нефти, г/см³.

При этом ошибка для интервала изменения размера капель воды от 50 до 500 мкм не превышает 4 - 5%. Построенная с учетом рассмотренных выше факторов номограмма позволяет быстро опре­делить тип и необходимое число отстойников. В этом случае расчет отстойных аппаратов сводится к определению числа и типа отстой­ников, необходимых для осуществления обезвоживания и обессоли­вания нефти при заданных технологических параметрах процесса и выбранных секциях каплеобразователей. Необходимые исходные данные: d, m_н, (или Т, °С), v - объем отстойного аппарата, м³ и w -относительное объемное содержание воды в нефти/

Порядок расчета числа аппаратов для ступени обезвоживания по номограмме рис. 7.22, задаваясь размером капель на выходе из каплеобразователя и вязкостью нефти, определяют точку пересече­ния перпендикуляра, восстановленного от значения m_н с кривой для заданного диаметра капель (точка I). Проводя от полученной точки вправо горизонталь до кривой, соответствующей выбранному объему отстойного аппарата, получаем точку II. Перпендикуляр из этой точ­ки на ось Q дает величину производительности отстойника выбран­ного объема Q_пр.

Поправка на стесненные условия осаждения К_ст, учитывающая обводненность поступающего в отстойники сырья, берется на вспомо­гательном графике Г номограммы рис. 7.22. Окончательно произво­дительность определяется как

.

Необходимый тип отстойника выбирают, исходя из произво­дительности аппаратов, размеров площади для их установки и других факторов. Число отстойников определяют по формуле

.

Порядок расчета отстойных аппаратов для ступени обессоливания такой же, как и для ступени обезвоживания. При этом учиты­ваются размеры капель, которые могут существовать в потоке на вы­ходе из секции ступени обессоливания. Для обеих ступеней предпо­лагается использование одного резервного отстойника, обвязка кото­рого позволяет подключить его при необходимости как к ступени обезвоживания, так и к ступени обессоливания.

Трубчатые отстойники

Во многих случаях объемные отстойники могут быть замене­ны трубчатыми. В самом деле, производительность отстойника радиу­сом R равна сумме производительностей группы отстойников с ра­диусами г₁ ,r₂,...r_n при условии, что и L_R=L(г₁ ,r₂,...r_n),

Если принять

Q=AR; Q₁=Ar₁; Q₂=Ar₂; Q_n=Ar_n,

где А - коэффициент, равный численному значению остальных пара­метров в формуле производительности отстойника, и взять сумму от Q₁ до Q_n, то получим

.

Рис. 7.22. Номограмма для расчета производительности отстойных аппаратов: квадрант А: кривые размеров капель; квадрант Б: 1 - 6 - отстойники объемом 28, 50, 100, 200 м³ и резервуары объемом 2000 и 5000 м³; квадрант В: 1 - 9 - зависимость вязкости от температуры соответственно для нсфтей ромашкинской угленосной, бавлинской угленосной, ромашкинской девонской, западносургутской. усть-балыкской, самотлорской, мангышлакской, арланской месторождения Красный Яр.

При получим отсюда следует, что . Другими словами, один аппарат радиусом R может быть заменен батареей труб малого диаметра такой же длины при условии, что сумма радиусов этих труб будет равна величине радиуса большого отстойника. Это открывает путь к созданию малогабарит­ных, транспортабельных и неметаллоемких отстойных аппаратов. Естественно, что увеличение производительности отстойных аппара­тов связано с необходимостью изменения гидродинамического ре­жима потока и возрастанием скорости движения жидкости в них вплоть до значений, характеризующих турбулентный поток. Факто­ром, ограничивающим производительность отстойных аппаратов с правильно выбранными гидродинамическими характеристиками, яв­ляется величина поперечных пульсационных составляющих скоро­сти, действующих против сил гравитации.

На рис.7.23 (кривые 1 - 4) представлен график зависимости величины турбулентных пульсаций потока от диаметра аппарата при числе Рейнольдса 10000, из которого следует, что диаметр отстойни­ка при прочих равных условиях, например осредненной скорости по­тока, есть один из определяющих параметров, влияющих на возможность расслоения эмульсии при умеренном турбулентном режиме, характеризуемом числами Рейнольдса порядка 5000-20000.

Длина отстойного аппарата, на которой может быть завершен процесс расслоения эмульсии при ламинарном режиме движения, определяется выражением

,

где U_max - скорость ламинарного потока по оси отстойника;

U_ст - скорость гравитационного осаждения капель;

D - диаметр аппарата.

Для осаждения капель на дно трубчатого отстойника из пото­ка, движущегося в турбулентном режиме, необходимая длина аппа­рата определяется выражением

где U_max - максимальная скорость потока;

К - константа турбулент­ности;

U_д - динамическая скорость осаждения.

Рис. 7.23. Зависимость диаметра капель d, взвешенных в потоке, от скорости пульса­ций V , для аппаратов различных диаметров: U_ст - скорость осаждения капель (r_н = 0,876, r_в = 1,178, m = 14,9 сП при 20 °С); 1 - 4 для температуры эмульсии 80, 60, 40 и 20 °С (Re=l0000).

На рис. 7.24. представлена зависимость длины аппаратов раз­личного диаметра от размера капель воды, необходимой для расслоения турбулентного потока эмульсии, характеризуемого числом Рейнольдса 10000 при вязкости нефти 0,044 П.

С увеличением диаметра капель длина отстойника, необхо­димая для расслоения потока, значительно сокращается. Анализ кри­вых (см. рис.7.24) позволяет сделать вывод о возможности быстрого рас­слоения эмульсии в горизонтальных трубчатых аппаратах, диаметр которых значительно меньше 3 м. Причем предварительное укрупне­ние мелкодисперсной части эмульсии позволит осуществить этот процесс при движении ее в турбулентном режиме при высокой про­изводительности. Так, например, расслоение эмульсии с размерами капель 600 мкм оказывается одинаково достижимым как в отстойни­ке диаметром 50 см, длина которого невелика - около 3 м, так и в стандартном отстойнике диаметром более 3 м, причем в последнем случае необходимая длина отстойника составляет 2 м. Отсюда следу­ет, что осуществление принципа предварительного укрупнения ка­пель перед направлением эмульсии на отстой открывает возможности по созданию и использованию малогабаритной высокопроизводи­тельной водоотдельной аппаратуры, выполненной из труб.

Расчеты показали, что блочный трубчатый комплекс, вклю­чающий двухсекционный каплеобразователь и отстойник с расшири­телем производительностью 1 млн.т/год весит 25 т. Серийные от­стойные аппараты, работающие в аналогичных условиях с такой же суммарной производительностью, весят 144 т, т.е. в 5 раз больше. Экономия внедрения одного трубчатого отстойника с каплеобразователем (при производительности 1 млн.т/год) очень велика.

Увеличение производительности существующей отстойной аппаратуры может быть достигнуто также путем использования пре­имуществ, присущих как объемным, так и трубчатым отстойником (рис.7.25.). К преимуществам объемных аппаратов следует отнести возможность их использования одновременно в качестве распредели­тельного устройства и каплеобразователя, а также расслаивающей емкости, пригодной для отбора нефти и воды в больших количествах. Качество воды в этом случае таково, что нередко ее можно закачи­вать в пласт без дополнительной очистки. Преимущества трубчатых аппаратов обусловлены их низкой металлоемкостью, простотой мон­тажа, удобством обслуживания. Создание комбинированных аппара­тов предусматривает совместный монтаж трубчатых и объемных элементов в такой комбинации, которая отвечает поставленным тех­нологическим задачам. Например, несколько трубчатых отстойников с каплеобразователями могут быть сблокированы с одним отстойни­ком большого объема и включены в него как в разделительную ем­кость.

Использование рассмотренных выше принципов и создание на их основе высокопроизводительной отстойной аппаратуры, снаб­женной трубчатыми каплеобразователями, позволили перевести в практическую плоскость проблему полной герметизации сбора и транспортирования продукции скважин в интервале «скважина - узел подготовки нефти».

Для решения этой проблемы целесообразно использо­вать в качестве аппаратов предварительного сброса воды часть или всю отстойную аппаратуру первой ступени обессоливающих устано­вок, снабженную каплеобразователями.

В последнем случае должно быть достигнуто достаточно глубокое обезвоживание нефти, позво­ляющее осуществить ее обессоливание на последующих ступенях. При этом транспортирование эмульсии с промысла осуществляется по схеме, предусматривающей ее перекачку непосредственно на ус­тановку, минуя резервуары предварительного сброса. Имеющаяся отстойная аппаратура и дренажная система установок в этом случае должны быть пригодны для сброса всего объема воды, поступающей на узел с нефтью. Узел предварительного сброса воды в этом случае из набора промыслового оборудования исключается.

В целом перспективы увеличения производительности от­стойных аппаратов, создания на этой основе блочного малогабарит­ного оборудования для подготовки нефти и воды высокой производитель­ности и низкой металлоемкости, а также получение чистых дренаж­ных вод непосредственно из технологических аппаратов подготовки нефти связаны с соблюдением следующих технологических принци­пов:

- укрупнение капель пластовой воды, вплоть до расслоения потока на нефть и воду в процессе продвижения эмульсии от скважин до отстойной аппаратуры и использование для этих целей промысло­вых систем сбора и встроенных каплеобразователей;

- снижение турбулентности потока по направлению движения эмульсии к отстойной аппаратуре;

- осуществление торцевого распределенного в плане ввода и отбора нефти в отстойных аппаратах;

- обвязка отстойной аппаратуры по схеме возврата дренаж­ных вод в головную часть процесса для первичной очистки и деэмульсации нефти и ее эксплуатация в режиме оптимального контро­ля.

Рис. 7.25. Трубчатые и комбинированные отстойники: а - горизонтальный однорядный; б - вертикальный многорядный; в - горизонтальный двухсторонний, многорядный; г - многослойный, горизонтальный, двухсторонний, многорядный; 1 - вход эмульсин; 2 - горизон­тальный распределитель; 3 - вертикальный распределитель; 4 - трубчатые отстойные элементы; 5 - верти­кальный коллектор; 6 - горизонтальный коллектор; 7 - емкость; 8 - выход нефти; 9 - сброс воды