Подбор сепарационных установок и их применение на месторождений Узень

 

Рис. 14.  Газонефтяной гидроциклонный сепаратор

I - вход газонефтяной смеси; II – выход нефти; 1 – гидроциклон; 2 – ёмкость; 3 – сливные полки; 4 - отбойник для предварительной сепарации газа и гашения пены; 5 – отбойник окончательной сепарации; 6 – регулятор давления; 7 – регулятор уровня; 8 – исполнительный механизм.

 

        Снижение скорости опускания  жидкости будет способствовать  уменьшению количества газа, увлекаемого под поверхность слоя жидкости, а

непосредственный её сброс на поверхность слоя нефти  – его увеличению. При этом полезно  развить поверхность жидкости, стекающую  в секцию сбора жидкости, для создания благоприятных условий выделения из неё окклюдированного газа.

        Таким образом, работа сепаратора  любого типа характеризуется  тремя показателями:

• степенью разгазирования нефти или усадкой её;
• степенью очистки газа, поступающего в газопровод, от капелек нефти;
• степенью очистки нефти, поступающей в товарные резервуары или в нефтепровод, от пузырьков газа.

       Степень  разгазирования нефти в газонефтяном  сепараторе может характеризоваться  двумя показателями:

 

 

 

   где  унос газа и жидкости;

          унос газа;

         массовый расход нефти соответственно до и после сепаратора;    

         массовый расход газа соответственно после сепаратора и до него.

        Следовательно, в каждой ступени  сепарационной установки при  снижении давления количество  нефти уменьшается, т.е. происходит  разгазирование ее и соответственно  возрастает количество суммарного  газа.  
При этом для любых условий работы сепарационной установки в герметизированной системе нефтегазосбора имеет место следующий баланс:  
                                                                           
        Поскольку в газонефтяном сепараторе происходит выделение пузырьков газа, улавливание капель жидкости и приведение системы нефть — газ в состояние термодинамического равновесия, то качество его работы будет характеризоваться следующими основными соотношениями.  
Концентрация капельной жидкости в потоке газа,

                                                           
     где коэффициент уноса капельной жидкости газом,  
           содержание капельной жидкости в объеме газа при нормальных условиях.  
  Концентрация свободного газа в потоке нефти:

где  объемное содержание свободного газа в объеме нефти при давлении и температуре сепарации. Унос неравновесного газа в потоке нефти,  
                                                             
где относительное содержание газа в нефти при и , излишне    

               растворенного по сравнению с  тем случаем, когда система  нефть —  

               газ находится в состоянии  термодинамического равновесия;   

       рабочий газовый фактор при и .В качестве вспомогательного показателя, характеризующего неравновесность системы нефть — газ, можно использовать относительную разность между истинным значением давления насыщения паров нефти

       Современные  конструкции сепараторов позволяют  получать на выходе нефть и  газ с таким качеством, что  концентрация свободного газа  в нефти, составляет не более 4 %, унос неравновесного газа — не более 10 %, концентрация капельной жидкости в газе — не более . 
        Различными могут быть также требования, предъявляемые к степени очистки газа и жидкости после их предварительного разделения в сепараторе. В принципе возможно создание сепаратора, который обеспечивал бы полное разделение и очистку газа и жидкости, но это экономически не оправдано. Поэтому на основе обобщения теоретических и экспериментальных исследований разработаны определенные количественные и качественные показатели, которые независимо от типоразмера сепаратора и выполняемых им функций достаточно полно характеризуют эффективность его работы и степень технического совершенства. К показателям, которые характеризуют степень очистки газа и жидкости, т.е. эффективность работы сепаратора, относятся значения удельных уносов капельной жидкости и свободного газа из сепаратора. Очевидно, технически более совершенным будет тот сепаратор, который при прочих равных условиях обеспечивает более высокую степень очистки газа и жидкости и имеет высокую производительность, т.е. обеспечивает более эффективное разделение и очистку при больших скоростях движения газа и жидкости по сечению сепаратора. Таким образом, для полной оценки эффективности работы газонефтяного сепаратора наряду с показателями , и необходимо учитывать и степень технического совершенства сепаратора, которая может быть охарактеризована диаметром капель жидкости, уносимых из сепаратора газовым потоком, предельным значением средней скорости движения газа в свободном сечении сепаратора временем задержки (пребывания) нефти в сепараторе. Унос из сепаратора большого количества жидкости недопустим, так как это вызывает серьезные осложнения в эксплуатации газопроводов. Известно, что я обеспечения экономичной работы газопроводов допустимые значения удельного уноса капельной жидкости не должны превышать 25-50г/1000м3 в условиях сепарации. На основе анализа результатов испытании выпускаемых промышленностью нефтяных сепараторов по удельному уносу капельной жидкости и опыта работы промысловых газопроводов экономически целесообразно принять в качестве временной нормы значение коэффициента уноса, равное 50см3/1000 м3 в условиях сепарации.  
         Как отмечалось ранее, значительный унос с нефтью большого количества газа может вызвать серьезные нарушения в ведении нормального технологического процесса сбора и подготовки нефти, как-то: резкое возрастание потерь легких углеводородов, повышение пожаро-взрывоопасности территории сборных пунктов и т.д. Подобного рода осложнения могут возникнуть в том случае, если нефть с большим количеством свободного газа поступает в негерметизированные резервуары, предназначенные для ее учета, откачки или временного хранения.  
         Кроме того, в системах сбора, предусматривающих перекачку газонасыщенных нефтей, большое содержание в них свободного газа может значительно снизить подачу насосов и даже привести к срыву их. Экспериментально установлено, что содержание свободного газа в нефти до

4 - 8 % приводит к снижению  подачи центробежных насосов  на 50-70 %.  
Нормы уноса нефтью свободного газа на газонефтяные сепараторы не регламентированы. Однако рядом исследователей установлено, что заметное нарушение в работе технологических насосов происходит при содержании в нефти свободного газа свыше 2 %. В подобных случаях в качестве нормы уноса нефтью свободного газа может быть принято значение коэффициента уноса газа, равное при давлении и температуре сепарации. По значению можно судить об интенсивности уноса газа жидкостью (или о степени ее очистки). Это значение зависит от многих факторов:  
плотности и вязкости жидкости, температуры, способности нефти к вспениванию и др. Если показатель свидетельствует об эффективности отделения газа от нефти, то степень технического совершенства сепаратора может быть охарактеризована временем задержки нефти в сепараторе , которое должно выбираться с учетом влияния названных факторов. Установлено, что для невспенивающихся нефтей значение может изменяться от 1 до 3 мин. Для вспенивающихся нефтей будет иное. Толщина слоя крупноячеистой пены и ее стабильность зависят от содержания в нефти поверхностно-активных веществ. Слой пены существенно снижает производительность сепаратора, так как затрудняет всплытие пузырьков газа в газовое пространство сепаратора. Это вызывает необходимость увеличения

до 5-20 мин. в зависимости  от стабильности пены и конструкции сепаратора. Выбор конкретного значения для различных условий работы сепаратора возможен только по результатам исследования уноса газа.

        Время задержки должно рассчитываться  для каждого исследуемого сепаратора  с целью установления оптимального его значения в зависимости от расхода жидкости, уровня ее в сепараторе и основных физико-химических свойств жидкости. В общем случае

                                              

где

          высота уровня жидкости в сепараторе;

          площадь сепаратора;

           объемный расход жидкости на выходе из сепаратора при давлении и температуре сепарации, .

        Как уже отмечалось, для определения степени технического совершенства сепаратора необходимо, кроме , и , регламентировать значения диаметра капель жидкости и максимальной скорости газа в свободном сечении сепаратора .

       Допустимый  диаметр капель жидкости, уносимых  газом, может быть установлен  исходя из условий, что существует  такой размер частиц жидкости, при котором движение их происходит  по той же траектории, что и струи газа, т.е. выпадения их за счет гравитационного и инерционного осаждения не происходит.

      Исследованиями  различного рода дисперсных потоков  установлено, что диаметр частиц, при котором их движение идентично  с движением прилегающих объемов среды, не должен превышать 10 мкм. Оседание капель жидкости диаметром менее 10 мкм возможно только за счет процессов диффузии, столкновения и слияния жидких частиц, а также столкновения частиц жидкости с твердой поверхностью и их прилипания на стенке аппарата.      

       Таким  образом, оценка эффективности  процесса сепарации и технического  совершенства конкретного газонефтяного  сепаратора сводится к определению  следующих параметров:

• степени очистки газа от капельной жидкости и жидкости от пузырьков газа, которая характеризуется коэффициентами уноса и ;
• показателей технического совершенства сепаратора, которые характеризуются:
1. Предельным значением средней скорости газа в свободном сечении сепаратора ;
2. Временем задержки жидкости в сепараторе ;

Значения  и ‚ рассчитывают при давлении и температуре сепарации и значении уровня жидкости в горизонтальном сепараторе , равном 0,5D. Значение в случае испытания вертикального сепаратора должно соответствовать номинальному (расчетному) его значению.

 

 
2.5 Подбор сепарационных  установок и  их применение  на месторождений Узень

2.5.1 Определение пропускной способности горизонтального сепаратора

Разнообразие  технологических процессов, влияние  на сам процесс сепарации многочисленных факторов, таких как физико-химические свойства нефти и газа, газовые факторы, условия сбора и транспорта продукции скважин и др., обусловили чрезвычайное многообразие сепараторов, как по типоразмерам, так и по конструктивному исполнению.

Независимо  от конструктивного исполнения, сепараторы должны обеспечивать разделение газовой фазы от жидкой, необходимую степень очистки газовой фазы от капельной влаги, максимальное извлечение из нефти газовой фазы (проведение процесса в условиях, близких к равновесным между нефтью и газом), разрушение пены, поступающей в сепаратор, и создание условий, уменьшающих пенообразование в самом сепараторе, необходимый гидрозатвор, обеспечивающий нормальную эксплуатацию в условиях пульсирующих потоков и предотвращающий попадание свободного газа в нефтесборные коллекторы. Анализ перечисленных требований показывает, что их выполнение находится в прямой зависимости от двух параметров - производительности сепаратора по газу и по нефти. При выборе сепараторов для конкретных условий эксплуатации и при конструировании новых аппаратов знание этих параметров является необходимым.

        Расчет сепаратора должен содержать исходные данные и собственный расчет. Исходные данные определяют требования (исходные условия), предъявляемые к аппарату (условия расчета). Расчет осуществляют для основных сепарационных секций и элементов, корпуса, патрубков подвода и отвода газа и жидкости.

Исходные данные:

 

Давление сепарации  ……………………………..6

Рабочий газовый фактор …………………………..20

Плотность нефти  …………………………………..878

Плотность газа …………………………………….0,831

Поверхностное натяжение  на границе 

нефть – газ  ………………………………………....25

Температура газа в сепараторе ……………………….....20

Тип отбойной насадки………………………………….... сетчатая

Расположение насадки……………………………….горизонтальное

Живое сечение отбойной насадки  ………………0,98

Необходимое количество сепарации газа ………...

Коэффициент скорости ……………………………….0,1

  Обводненность  добываемой продукции, В………………….0,85

Газовый фактор G, …………………………………….20

Объемный расход жидкости V, ………………………420

 

        Целью расчета является определение конструктивных основных размеров  сепаратора.

 

1. Диаметр определяется из условия рационального размещения отбойной

насадки с учетом удельной нагрузки сепаратора по нефти.

                                                                    

  где   минимальный уровень жидкости,

              предел регулирования,

              высота слива жидкости,

              диаметр входного патрубка, м

 

2. Определение длинны сепаратора:

                                          (1)                   

где диаметр сепаратора, м

             длина отбойной насадки, м

             диаметр выходного патрубка, м

3. Объем сепаратора равен:

                               

                                     (2)

При заполнении сепаратора по высоте

объем жидкости составит 1,475 .

4. Максимальная пропускная способность горизонтального сепаратора по газу при давлении в сепараторе 0,6 МПа и температуре 293 К составит (все поперечное сечение горизонтального сепаратора занято потоком газа)