Расчет концевых делителей фаз

Наиболее высокая производительность отстойной аппаратуры достигается при введении в нее потока, предварительно расслоенного в трубопроводах на нефть и воду. Это достигается с помощью конце­вых делителей фаз (расслоителей потока), длину и диаметр которых в зависимости от исходных параметров рассчитывают с помощью но­мограмм рис. 7.30, 7.31.

Имеются два варианта расчета, связанные с возможностью расслоения потока без дополнительного укрупнения капель и с пред­варительным их укрупнением. Для определения длины и диаметра трубопровода, обеспечивающего расслоение потока на нефть и воду, с помощью номограммы рис. 7.31 устанавливают возможность этого процесса для данных условий (производительность, диаметр капель в конце трубопровода). Для этого определяют положение точки пере­сечения кривой заданной производительности шкалы Q с перпенди­куляром, опущенным (или восстановленным) соответственно из точ­ки шкалы d. Если точка пересечения расположена в пределах квад­ранта А и проведенная от нее горизонталь в квадрант Б пересечет од­ну из кривых 1 - 10, то расслоение потока возможно без дополнитель­ных операций по укрупнению капель. Если точка пересечения может быть расположена только за пределам квадранта А, то

Рис. 7.31. Номограмма для определения параметров расслоения потока на нефть и воду в концевых делителях фаз, трубчатых отстойниках и отстойной аппаратуре предварительного сброса: а, б - турбулентный режим; в - ламинарный режим; 1-10 - трубы (аппараты) диаметром 50, 60, 70, 80, 90, 100, 150, 200, 250, 300 см

Вариант а. Положение контрольной точки позволяет ожидать расслоение потока. Проведя от нее вправо горизонталь, на­ходят точку пересечения с одной из кривых диаметров трубопровода и, опуская перпендикуляр на ось L, определяют длину участка трубо­провода, на котором можно ожидать расслоение потока. Например, Q=2 млн.т/год, d=800 мкм, расслоение оказывается возможным в трубопроводах диаметром 60, 70, 80, 90, 100 см. Учитывая небольшую разницу в длинах трубопроводов, выбирают наименьший диаметр, в данном случае 60 см. Длина участка оказывается равной 55 м.

Вариант б. Если для расслоения потока необходимо предварительное укрупнение капель, то осуществляются дополни­тельные расчеты. Для расчета должны быть заданы m, Q, d_му, s. Рас­чет начинает с определения параметров укрупнительной секции тру­бопровода, позволяющей увеличить диаметр капель до заданного размера.

Для этого на оси m номограммы рис. 7.28 находят заданное значение вязкости и проводят вправо горизонтальную линию по пе­ресечению с перпендикуляром, восстановленным от заданного (же­лаемого) значения d_му, при котором обеспечивается быстрое рас­слоение потока. От полученной точки пересечения параллельно кри­вым, корректирующим влияние вязкости, проводят линию к шкале d_муп и отмечают на ней промежуточное значение диаметра капель. Восстанавливая из этой точки перпендикуляр к группе кривых поверхно­стного натяжения квадранта Б и получив точку пересечения с соот­ветствующей из них, проводят горизонтальную линию влево в квад­рант А. Находят точку пересечения горизонтали с кривой заданного расхода, восставляют от нее перпендикуляр к шкале D и отсчитывают искомое значение диаметра.

Расчет длины секции укрупнения расслоителя фаз осуществ­ляется с помощью номограммы рис.7.29. Для этого на оси d находят два значения диаметра капель d₁ - размер капель на входе в укрупнительную секцию и d₂ - заданное значение, которое необходимо дос­тигнуть. От точек пересечения соответствующих кривых диаметров капель с перпендикуляром, опущенным из точки выбранного значе­ния, проводят вправо горизонталь до пересечения с соответствующей кривой производительности (квадрант Б). Опуская из полученных точек перпендикуляры на ось L, отсчитывают два значения длины трубопроводов L₁ и L₂. Длина укрупнительной секции L определяет­ся как разность между L₂ и L₁: L_пр = L₂ - L₁.

Расчет длины и диаметра секции расслоения

Для расслоения потока эмульсии, размер капель которой был предварительно укрупнен до требуемых размеров, необходимо смон­тировать концевой участок трубопровода соответствующего диамет­ра и длины. Для этого по известным Q и d на графиках в квадранте А номограммы рис. 7.31. (см. стрелки) находят точку их пересечения, затем проводят горизонталь в зону квадранта Б до пересечения с кри­выми длин трубопроводов различных диаметров. Расслоение потока возможно в трубопроводах только таких диаметров, для которых кривые длин, представленные на графике в квадранте Б, окажутся пересеченными горизонталью. В трубопроводах меньших диаметров, кривые длин которых расположены ниже горизонтали, расслоение потока при заданных режимных параметрах не будет эффективным. При пересечении горизонталью несколько кривых выбирают ту из них, которая больше соответствует диаметру проложенного или про­ектируемого трубопровода.

Опуская перпендикуляр от точки пересечения горизонтали с выбранной кривой на ось L, отсчитывают значение длины трубопро­вода, на которой возможно полное расслоение потока. С увеличением температуры длина и диаметр секции расслоения уменьшаются.

Графики рис. 7.21, представленные в квадрантах В, позволя­ют установить границы применимости кривых квадрантов А и Б, ко­торые рассчитаны для турбулентного режима движения. Эти же гра­фики позволяют оценить степень турбулентности потока. Кривые в квадранте Б, отсекаемые горизонталями, проведенными из точек пе­ресечения линии диаметров труб в квадранте В с перпендикуляром, восстановленным из точки на оси Re в квадранте В, отвечающие кри­тическому значению, относятся к области ламинарного движения и в расчетах могут не учитываться. При вязкости потока 0,5 Ст движения жидкости в трубах диаметром 50 - 300 см в широком диапазоне производительностей оказывается ламинарным, поэтому графики квадран­тов А и Б рис. 7.21 построены для ламинарного режима движения. Точки пересечения вертикали критических значений чисел Рейнольдса с кривыми диаметров позволяют определить минимальное значе­ние производительности для каждого из них, выше которой начина­ется область турбулентного режима движения. Для этого из точек пересечения кривых с вертикалью Re_кр проводят горизонтали на ось производительности.

Расчет пропускной способности отстойной аппаратуры

для расслоенных потоков

Производительность отстойной аппаратуры для сброса воды из расслоенных потоков можно рассчитать по формуле

Q=0,033V,

где Q - производительность, млн.м³/год;

V - объем аппарата, м³.

Определение оптимального расхода реагента

С увеличением расхода реагента размеры капель, которые могут существовать в трубопроводе, уменьшаются. В ряде случаев это приводит к увеличению времени отстоя и ухудшению качества нефти. Поэтому важно правильно подобрать дозировку реагента и осуществить обезвоживание (обессоливание) нефти при минималь­ном его расходе. Это задача решается с помощью номограммы рис. 7.28 при заданных значениях Q, D, , d_мy в следующем порядке. От заданного m проводят вправо горизонтальную линию до пересечения с перпендикуляром, восстановленным из точки, соответствующей заданному значению d_мy. Из точки пересечения проводят линию па­раллельно корректирующим кривым до пересечения с осью d_мy и восстанавливают перпендикуляр к кривым поверхностного натяжения. Затем находят точку пересечения кривой расходов Q с перпендику­ляром, опущенным из точки с заданным значением D, проводят от нее вправо горизонтальную линию в область кривых поверхностного натяжения и находят точку пересечения с перпендикуляром, восстав­ленным в эту зону от оси d_мyп. По положению точки пересечения интерполяцией определяют значение поверхностного натяжения, от­вечающее необходимому расходу деэмульгатора.

Для упрощения расчетов целесообразно пользоваться графи­ком, построенным в координатах: концентрация реагента в воде (нефти) — поверхностное натяжение. По значению поверхностного натяжения определяют необходимую концентрацию, а по известной концентрации и обводненности продукции скважин - расход реаген­та.

Для получения данных о значениях поверхностного натяже­ния в условиях, приближенных к промысловым, поступают следую­щим образом. Отбирают представительную пробу эмульсии на сква­жине, вводят в нее различное количество деэмульгатора и отстаивают при температуре, соответствующей температуре отстоя нефти в про­мысловых условиях. Затем отделившуюся воду отбирают, определя­ют значение сталлагмометре для каждого расхода реагента и выби­рают такой расход, при котором значение s в наибольшей степени отвечает расчетному.

Расчет средств интенсификации

на действующих объектах подготовки нефти

Одним из наиболее важных параметров, определяющих воз­можность улучшения качества нефти или повышения производительности действующих объектов, является размер капель пластовой (или промывочной) воды перед отстойными аппаратами или резервуарами предварительного сброса. Размеры капель необходимо знать, напри­мер, для определения технологически необходимого числа отстойных аппаратов из общего числа работающих на действующей установке. Это позволяет принять правильное решение о возможности высвобо­ждения части из них для организации второй ступени (при необходи­мости перевести обезвоживающую установку на режим обессоливания), увеличения ее производительности и решения ряда других за­дач.

В наиболее общем случае при движении водонефтяной смеси от устья скважин до объектов подготовки нефти и в коммуникациях установок на различных участках возможно как диспергирование ка­пель пластовой воды (центробежные насосы, сепараторы, задвижки), так и их укрупнение. Оценить конечный эффект от этих противопо­ложных процессов можно лишь на основании данных дисперсного анализа. Подобная оценка обычными средствами весьма трудоемка, а при смешении на промыслах различных потоков нефти - иногда не­выполнима.

Поэтому важно располагать методикой определения дисперс­ности конкретных эмульсий на основе экспериментальных данных, учитывающих специфику их формирования.

Методика определения дисперсности капель в эмульсии

Такая методика разработана институтом ТатНИПИнефть. Пе­ред отстойной аппаратурой отбирают пробы эмульсии, которая от­стаивается в условиях, моделирующих производственные, и затем строят графики в координатах количество выделившейся воды (W') - время (Т). Определение размеров капель и оценка на основе кривых осаждения скорости расслоения эмульсии в отстойной аппаратуре на нефть и воду осуществляются следующим образом. Кривые осажде­ния, выражающие зависимость количества выделившейся воды от времени отстоя эмульсии, с достаточной точностью аппроксимиру­ются выражением:

,

где t - время отстоя;

W - количество выделившейся воды;

a, b - коэффициенты, характеризующие предельные количество и скорость выделения воды, которые зависят от глубины разрушения эмульсии в трубопроводах промысловых систем сбора или каплеобразователях.

Из теории седиментометрического анализа известен способ нахождения функции распределения полидисперсной системы по данным, характеризующим скорость совместного осаждения частиц разных размеров:

. (7.24)

Переход от времени осаждения t к радиусу капель г осущест­вляется по формуле

, (7.25)

где Н - высота отстойника;

Dr - разность плотностей воды и нефти;

g - ускорение свободного падения;

m ^- динамическая вязкость неф­ти.

Подстановкой значений W' и t из формул (7.23) и (7.25.) в фор­мулу (7.24) получают функцию распределения капель воды по разме­рам:

, (7.26)

где b' =3600.

Для упрощения расчетов необходимого числа отстойников при предварительном сбросе или неглубоком обезвоживании удобно использовать такой параметр, как осредненный радиус капель, опре­деляемый выражением (полагая г = г_ср)

. (7.27)

Правомерность использования r_ср для расчета отстойников обусловлена тем, что его значение получено на основании данных об осаждении капель реальной эмульсии и учитывают ее индивидуаль­ные свойства. Из формулы (7.27) следует, что осредненный радиус капель определяется параметрами соответствующей кривой осажде­ния (коэффициенты а и b) и для его оценки не требуется проведения дополнительных исследований, связанных с седиментометрическим анализом водонефтяной эмульсии. Зная радиус укрупнившихся в промысловой системе сбора или каплеобразователе глобул пластовой воды, можно определить число отстойных аппаратов n по формуле

, (7.28)

где Q - производительность узла по жидкости;

S* , L, h - соответст­венно площадь поперечного сечения, длина и высота отстойника (от зеркала воды до верхней образующей);

Dr - разность плотностей воды и нефти.

Формула для расчета глубины обезвоживания

Достигаемая в этом случае глубина обезвоживания определя­ется из выражения:

(7.29)

где DW - остаточное содержание воды в нефти.

Увеличение размера капель при нагреве

Необходимость такого расчета может возникнуть при оценке целесообразности увеличения размера капель до требуемых размеров при повышении температуры нефти (путем реализации резерва теп­ловой мощности узла подготовки нефти для увеличения производи­тельности установки или для улучшения качества обезвоженной или обессоленной нефти). Определение температуры нагрева, необходи­мой для увеличения размера капель от d₀ до заданной величины d внутри интервала возможных их размеров, которые могут существо­вать в потоке при заданных гидродинамических параметрах, опреде­ляется следующим образом.

С помощью известных значений Q, D, s, d₀ пo номограмме рис. 7.28 определяют величины d_муп и d_му, соответствующие крайним значениям размера капель при нагреве нефти в интервале темпе­ратур от 10 до 50 °С. Если требуемое значение d больше d_му, это сви­детельствует о том, что при данных гидродинамических условиях капли таких размеров существовать в потоке не могут и требуется изменение параметров Q, D, s. Если d_муп < d < d_му, то на шкале d_му находят требуемое значение d и восстанавливают перпендикуляр до пересечения с кривой, корректирующей влияние вязкости; кривая выходит из точки шкалы d_муп, соответствующей размеру d₀ при Т = 10 °С. От полученной точки пересечения проводят горизонтальную линию до пересечения с кривой изменения вязкости нефти данного типа в зависимости от температуры и опускают перпендикуляр на ось температур, где нахо­дят искомое ее значение. Выигрыш в скорости осаждения (глубины обезвоживания) достигается за счет проявления двух эффектов: уве­личения размеров капель и снижения вязкости среды (нефти).

Определение допустимого увеличения производительности

трубопроводов

Не менее важно представлять, как изменятся размеры капель при увеличении производительности действующих трубопроводов. Такая задача возникает при необходимости увеличения объема неф­ти, прокачиваемой по трубопроводу известного диаметра, при усло­вии сохранения заданных размеров капель эмульсии и обеспечения нормальной работы существующей отстойной аппаратуры (предва­рительный сброс, глубокое обезвоживание, обессоливание). Задавае­мые параметры - D, s, m, d_му. Для определения допустимой произво­дительности трубопровода необходимо по номограмме рис. 7.28 от значения известной вязкости m провести горизонтальную линию до пересечения с перпендикуляром, восстановленным от допустимого значения d_му на соответствующей шкале. Затем от полученной точки проводят линию, параллельную кривым, корректирующим влияние вязкости, до пересечения с осью d_муп и восстанавливают перпенди­куляр до кривой заданного значения s. Затем находят точку пересе­чения горизонтали, проведенной влево от точки на кривой s, с пер­пендикуляром, опущенным от точки на шкале D известного диаметра. От полученной точки проводят линию, параллельную кривым расхода, до пересечения с осью Q и отсчитывают на ней искомое зна­чение Q. Аналогичным образом осуществляется проверка пропуск­ной способности (с технологической точки зрения) подводящих тру­бопроводов к отстойной аппаратуре или резервуарам товарных пар­ков на действующих узлах подготовки нефти и проектируемых объ­ектах.