Сбор и подготовка нефти газа и воды к транспорту

Так как w = О при t = О, то С = In mg. Подставляя найденное значение С в уравнение (VI.18)*, находим

Найдем постоянную интегрирования С\ h = 0 при t = 0; сле­ довательно, С = —mzg/K .

Подставляя найденное значение С в выражение (VI.24) и решая

Таков в общей сложности закон оседания твердых частиц в нефти. Однако последнюю формулу можно значительно упростить, если учесть, что величины К и т по своему физическому смыслу положи-

' K t

тельны и с возрастанием t значение е т будет стремиться к нулю.

Kt

Если t делико, то величиной е т можно пренебречь, и тогда по уравнению (VI.21) скорость движения твердой частицы через доста­ точно большой промежуток времени можно практически считать постоянной:

201

Эта постоянная скорость называется скоростью осаждения, обозначается через w4 и может определяться также по формуле (IV.28).

Отстойники для горячей нефти

Отстойники — это аппараты, в которых происходит р а з д е ­ л е н и е эмульсии на нефть и воду в условиях статики или в условиях

должно осуществляться за пределами этих аппаратов в результате продолжительного перемешивания их в сборных коллекторах или

вспециальных турбулизаторах.

Внефтегазодобывающих предприятиях чаще всего применяются

горизонтальные отстойники непрерывного и полунепрерывного дей­ ствия. В первых отстойниках оба продукта (нефть и вода) выво­ дятся за пределы аппарата непрерывно, во втором случае нефть выводится также непрерывно, а вода — периодически, по мере ее накопления в отстойнике. В результате отстоя неоднородной смеси образуются два слоя отстоявшихся фаз, между которыми обычно находится слой еще не отстоявшейся смеси. Чтобы при выводе из аппарата любой чистой фазы предотвратить унос частиц другой фазы, необходимо, чтобы слой чистой фазы был достаточной высоты. В горизонтальных цилиндрических отстойниках высота ограничи­ вается их диаметром, поэтому одновременный вывод обеих чистых фаз несколько затрудняется. Однако горизонтальные отстойники имеют важное преимущество перед вертикальными и сферическими отстойниками, о чем будет сказано несколько ниже.

При расчете любого типа отстойников необходимо знать высоту слоя h жидкости, в которой совершается за счет разности плотностей

Порядок расчета отстойников для горячей нефти с использова­ нием практических величин т и шч может быть различным. Если, например, известны размеры отстойника D и I [м] и время отстоя т [ч], то при общей производительности установки подготовки нефти, равной Q м3/ч, необходимое число отстойников п будет

Так как при одинаковых значениях п и D скорость потока в от­ стойниках зависит от схемы включения их, то необходимо проверить величину скорости.

202

При последовательном соединении отстойников и вводе нефтяной эмульсии со стороны эллиптического днища (см. рис. 66, а) скорость потока будет

Полученные скорости не должны превышать допустимых скоро­ стей осаждения w4 для данной нефти при заданных условиях, ко­ торые определяются из соотношения

w-yh

w4 = —j— или wq

~Т~'

где I — длина отстойника в м, обеспечивающая осаждение твердых частиц и глобул воды из нефти.

Если нефтяная эмульсия вводится в отстойник через маточник, как это делается в КССУ, то расчет таких отстойников производится по формулам (IV.60а) и (VI.13).

В настоящее время в нефтегазодобывающих предприятиях можно встретить отстойники различной геометрической формы: горизон­ тальные, вертикальные и сферические. Эффективность работы этих аппаратов зависит главным образом от: 1) геометрической формы; 2) положения в пространстве (горизонтальный, вертикальный); 3) способа ввода нагретой продукции и 4) предварительной подго­ товки нагретой продукции перед поступлением ее в отстойники. Неко­ торые из этих факторов и, в частности, влияние способа ввода нагре­ той продукции на эффективность работы отстойников частично были рассмотрены в данном параграфе. Ниже рассматриваются геометри­ ческая форма отстойников, положение их в пространстве и влияние этих факторов на скорость отстоя.

Проведем сравнительную оценку эффективности работы трех отстойников: горизонтального, вертикального и сферического при следующих исходных данных: объем всех трех аппаратов одинаковый и равный 100 м3; диаметр вертикального и горизонтального отстой­ ников принимается равным 3,6 м. Вертикальный отстойник имеет высоту 4,8 м.

На рис. 68 приведены схемы этих аппаратов и показаны эпюры распределения скоростей жидкости в них.

Объемы отстойников определяются пз следующих формул:

Vr = nR2L\ VB = JIR2H ; Vm = ^ - n R 3

(индексы г, в, ш обозначают соответственно: горизонтальный, верти­ кальный, сферический — шаровой).

203

Подставляя принятые выше данные в эти формулы, получим:

Максимальные площади горизонтальных сечений этих аппара­ тов будут соответственно равны:

1) 5 Г = DL 3,6 • 9,8 = 35,3 м2;

2)SB= лДя-2 = 3,14-1,82-2 = 20,4 маг

3)£ ш = лД2 = 3,14 • 2,882 = 26,4 м2.

Таким образом, расчеты показывают, что при условии одинако­ вых объемов отстойников максимальная площадь аппарата полу­ чается у горизонтального отстойника. Следовательно, если в указан­ ные отстойники одновременно поступает одно и то же количество жидкости и она равномерно распределяется по площади, то горизон­ тальный отстойник будет работать эффективнее двух других, так как скорости подъема жидкости в нем будут значительно ниже.

Для горизонтального отстойника с известными конструктивными вводами жидкости средневзвешенная скорость подъема уровня может определяться по формуле (VI.58).

Для шарового отстойника с началом координат в центре шара средневзвешенная скорость подъема уровня жидкости определится из следующего выражения:

ь

а

204

где q — количество жидкости, поступающей в отстойник, в м3/сек; b и а — пределы интегрирования, определяемые характером и спо­ собом ввода сырья; R — большой радиус сферы; у — текущая ор­ дината.

Эффективность разделения эмульсии на нефть и воду в отстой­ никах в огромной степени зависит от п р о д о л ж и т е л ь н о с т и и и н т е н с и в н о с т и п е р е м е ш и в а н и я этой эмульсии за пределами отстойника. Увеличение п р о д о л ж и т е л ь н о с т и перемешивания эмульсии с введенным в нее деэмульгатором спо­ собствует более равномерному распределению деэмульгатора на гло­ булах воды, что приводит к эффективному разложению эмульсии

при умеренной интенсивности перемешивания (Re = 5000 —10 000) эффективность разделения нефти и воды улучшается; в грубодисперс­

нефти и воды. В первом случае за счет интенсивности перемешива­ ния эмульсии получается коалесценция капель воды и осаждение их в дренаж, во втором случае — диспергирование этой воды и ухуд­ шение условий осаждения.

Перемешивание смеси в трубопроводе или в специальном аппа­ рате с вращающимися внутри него лопастями (лучше — с коалесци­ рующими сетками) способствует столкновениям и соударениям гло­ бул воды, несущих на себе «бронированные оболочки» эмульгаторов и электростатические двойные слои зарядов (см. рис. 65, б), в ре­ зультате чего разделение эмульсии на нефть и воду происходит бо­ лее интенсивно.

При интенсивном перемешивании эмульсии с деэмульгатором одновременно происходят два процесса: коагуляция и дробление находящихся в нефти капель воды. С увеличением времени перемеши­ вания вероятность равномерного распределения деэмульгатора на по­ верхностях глобул пластовой воды возрастает и достигает такого значения, при котором дальнейшее перемешивание становится не­ эффективным.

Критический размер капель в нефтеводяном потоке определяется формулой [22, 28]

где I — масштаб пульсаций; а — поверхностное натяжение; w — скорость потока; К — коэффициент, характеризующий геометри­ ческие размеры; р — плотность дисперсионной среды.

Из приведенной формулы видно, что критический размер капель пропорционален масштабу пульсаций и поверхностному натяжению и обратно пропорционален скорости потока и плотности среды.

205

В качестве перемешивающего устройства эмульсий с деэмульга­ тором лучше всего использовать (до установок подготовки нефти) выкидные линии и сборные коллекторы, а после первой ступени теп­ лообменников на установках подготовки нефти (см. рис. 77, поз. 5) — смесители ротационного типа с коалесцирующей сеткой (см. рис. 79).

Предварительно подготовленная таким образом смесь напра­ вляется в отстойники гравитационного типа, в которых и должно произойти окончательное разделение фаз на нефть и воду. Однако, если перед отстойниками смесь нефти с водой находится в грубодисперспом состоянии, в чем можно убедиться отбором проб и их отстоем, то предварительное перемешивание такой смеси перед направлением ее в отстойиики необязательно.

Гравитационные отстойники с раздаточным устройством маточ­ ного типа для повышения эффективности работы должны иметь коа­ лесцирующую насадку, устанавливаемую в максимальном сечении отстойника н выполненную пли нз кассет с древесной стружкой, легко заменяемых при засорении от продолжительной работы, или из различных гидрофильных материалов, свободно пропуска­ ющих нефть и задерживающих подъем пластовой воды. Эффективно работающие коалесцирующие сетки и кассеты в отдельных случаях способствуют увеличению в 1,5—2 раза пропускной способности отстойников, а следовательно, и сокращению их общего количества при запланированной добыче обводненной нефти.

§ 10. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ

Применяется несколько методов деэмульгпрованпя нефтяных эмульсий В/Н, основные нз них: гравитационное разделение (хо­ лодный отстой); центрифугирование; фильтрация; теплохпмическое воздействие; электрическое воздействие п, наконец, различные со­ четания перечисленных выше методов.

Гравптацпошгое разделение (холодный отстой)1

Гравитационное разделение эмульсин может осуществляться как без деэмульгаторов, так и с введением деэмульгаторов. Деэмулъга-- ториг не применяются для этой цели в том случае, когда содержание вшастовой воды в нефти достигает 50% ..и более и если отсутствуют эмульгаторы, способствующие образованию стойких эмульсий. При­ менение деомульгаторбв, нагнетаемых в нефтесборную систему, создает возможность разлагать эмульсии в трубопроводах и транспор­ тировать совмести© нефть м воду до установок подготовки нефти без опасения коррозионного разрушения трубопроводов в связи с низ­ кими темтратурами флюидов.

2®8

Из сказанного выше видно, что при обезвоживании нефти на пло­ щадях нефтегазодобывающих предприятий нужно идти по пути син­ теза новых более эффективных деэмульгаторов, позволяющих осу­ ществлять деэмульсацию нефти без нагрева, а дальний транспорт товарной нефти организовать по возможности «из насоса в насос»

сминимальным использованием негерметизированных резервуаров. Холодный отстой эмульсии с деэмульгатором осуществляется

следующим образом. Нефтяная эмульсия вместе с необходимым ко­ личеством деэмульгатора и пластовой водой поступает на прием цен­ тробежного насоса, выход которого соединен с отстойником. Подача в эмульсию деэмульгатора и пластовой воды вызывает инверсию фаз и способствует полному разложению эмульсии на нефть и воду.

Рио. 71. Принципиальная схема тсплохнлшчсской деэмулъсацнонной установки (под давле­ нием).

1 — сырьевые резервуары; 2 — насос; з — теплообменники; 4 — пароподогреватели (или печь); 5 — отстойники; е — регулятор давления «до себя»; 7 — сепаратор; 8 — товарные резервуары; 9 — нефтеловушка; 10 — насос для откачки ловушечной нефти; 11 — дозировоч­ ный насос для подачи деэмульгатора; 12 — насос для откачки пластовой воды.

Центрифугирование

Большая сила инерции, возникающая в центрифуге, может быть использована для разделения жидкостей различной плотности. Оса­ ждение мелких твердых частиц пли капель подчиняется, как известно, закону Стокса. Можно воспользоваться уравнением (IV.21), заменив в нем ускорение силы тяжести g ускорением силы инерции а:

У скорение силы нперцпп в центрифуге определяется выражением

203

Для частицы, находящейся на расстоянии г от оси вращения, мгновенная скорость в радиальном направлении определится как

Интегрируя уравнение (VI.30) в пределах от г до R, получим время т, необходимое для осаждения капли диаметром d на стенке:

В течение этого времени капли воды диаметром ^ d будут уда­ лены полностью.

Разделение водонефтяных эмульсий в центрифугах — исклю­ чительно эффективный метод, однако он еще не нашел практического применения ни у нас, ни за рубежом.

Фильтрация

Нестойкие эмульсии иногда успешно расслаиваются при про­ пускании их через фильтрующий слой, который может быть выпол­ нен из гравия, битого стекла, древесных и металлических стружек, стекловаты и др.

Деэмульсация нефтей при помощи фильтров основана на явле­ нии селективного смачивания.

Фильтрующее вещество должно удовлетворять следующим основ­ ным требованиям:

1)иметь хорошую смачиваемость, благодаря которой происходят сцепление глобул воды с фильтрующим веществом и разрыв межфаз­ ных пленок эмульсии, способствующий коалесценции капель воды;

2)быть достаточно прочным, обеспечивая длительную эксплуата­ цию без замены;

3)иметь противоположный, чем у оболочки глобул воды, знак электрозаряда, чтобы обеспечивать снятие заряда с оболочек гло­ бул воды и устранять отталкивающую силу между ними.

Конструктивно фильтры выполняются обычно в виде колони,

причем размеры их зависят от объема прокачиваемой эмульсии,

на нефть и воду. Нефть отводится через верх колонны, а выдели­ вшаяся вода сбрасывается с низа колонны.

Деэмульсация нефтей фильтрацией как самостоятельный про­ цесс почти не применяется, однако в сочетании с теплохимическими методами она находит широкое распространение (см. рис. 80, поз. 5).

Теплохимическое деэмульгирование

Практикой установлено, что деэмульсация нефти без применения тепла и поверхностно-активных веществ малоэффективна. Поэтом jr в настоящее время около 80% всей добываемой нефти с водой про­ ходит обработку на теплохимических установках, имеющих следу­ ющие преимущества: предельно простое оборудование (теплообмен­ ник, отстойник и насос); сравнительно низкую чувствительность режима работы к широкому изменению содержания воды в нефти; возможность изменения деэмульгатора по мере изменения характе­ ристики эмульсии без изменения оборудования и аппаратуры.

Теплохимические установки по деэмульсации нефти подразде­ ляются на работающие под избыточным давлением и работающие под1 атмосферным давлением.

Самыми распространенными у нас в недавнем прошлом были теп­ лохимические установки, работающие без давления (см. рис. 70).

Нефтяная эмульсия, освобожденная на площади месторождения от газа, по сборному коллектору поступает в сырьевые резервуары I

в которых находится от нескольких часов до 2—3 суток в зависи­ мости от стойкости эмульсии. Перед поступлением эмульсии на прием центробежного насоса 2 в нее вводится дозировочным насосом 7 деэмульгатор, а также подогретая пластовая вода из отстойного резервуара 4, содержащая отработанный деэмульгатор. Использо­ вание подогретой воды, содержащей деэмульгатор, для расслоения нефтяной эмульсии позволяет значительно сэкономить топливо на на­ грев эмульсии в теплообменниках и расход деэмульгатора, пода­ ваемого на прием центробежного насоса.

Нагревание эмульсии может осуществляться как в специальных трубчатых печах, так и при помощи пара или нагретой воды, по­ даваемых из котельной в межтрубное пространство теплообменников.

Установки описанного выше типа пока продолжают работать на некоторых старых площадях нефтяных месторождений.

Деэмульсация нефти на таких установках имеет ряд недостатков: 1) большие потери легких фракций нефти, обусловленные на­ греванием и остыванием ее в негерметизированных резервуарах;

2)возможная загазованность резервуарного парка;

3)в результате применения сравнительно низких температур (40° -т- 50° С) при деэмульсации нефти и малой эффективности де­

эмульгаторов (НЧК) требуется значительное время отстоя для рас­ слоения эмульсии и, следовательно, большое количество отстойных резервуаров.

При обезвоживании нефти в теплохимических установках, рабо­ тающих под давлением, отмеченные недостатки частично устраняются. Теплохимические деэмульсационные установки, работающие под да­ влением (см. рис. 71), отличаются от установок, работающих без да­ вления, наличием отстойника 5, сепаратора 7, регулятора давления

210