
- •Тема 3 сепарация нефти от газа
- •1 Основное назначение нефтегазовых сепараторов
- •2 Сепараторы, их типы, конструкция и принцип действия
- •2.1 Классификация сепараторов
- •2.2 Основные элементы сепаратора
- •2.3 Принцип действия сепаратора
- •2.4 Показатели эффективности работы сепараторов
- •3 Выбор оптимального числа ступеней сепарации
- •4 Конструкция сепараторов и сепарационных установок
- •4.1 Сепараторы типа нгс
- •4.2 Установка блочная сепарационная с устройством предварительного отбора газа убс
- •4.3 Установка сепарационная с предварительным сбросом пластовой воды упс
- •4.4 Установка сепарационная с насосной откачкой типа бн
- •4.5 Сепараторы концевые
- •4.6 Сепараторы центробежные (гидроциклонные)
- •4.7 Сепараторы центробежные регулируемые
- •4.8 Сепараторы жалюзийные
- •4.9 Сепараторы сетчатые
- •5 Сравнительная характеристика сепараторов
- •6 Охрана окружающей среды при эксплуатации сепарационных установок
- •7 Расчет нефтегазовых сепараторов на пропускную способность по газу и жидкости
- •7.1 Факторы, влияющие на работу нефтегазовых сепараторов
- •7.2 Расчет вертикального гравитационного сепаратора по газу
- •7.3 Расчет вертикального гравитационного сепаратора по жидкости
- •7.4 Расчет количества газа, выделившегося на каждой ступени сепаратора
- •8 Механический расчет сепараторов
7.4 Расчет количества газа, выделившегося на каждой ступени сепаратора
с учетом коэффициента растворимости α
Суммарное количество газа (свободного Г и растворенного Гр), поступающего на первую ступень сепаратора, определяется по формуле
V = (Г + Гр)·GМ = Г0·GМ. |
(3.11) |
Если нефть поступает обводненной, то
V = Г0·(1 – W/100)·GМ, |
(3.12) |
где W – обводненность нефти, %.
Количество газа, оставшегося в растворенном состоянии в нефти на первой ступени (см. рисунок 17, а) (без учета обводненности), будет
Vр1 = (α/ρн)·р1·GМ |
(3.13) |
Количество газа, выделившегося на первой ступени сепарации, определяется как разность между поступившим и растворенным газом, то есть
V1 = V – Vр1 = Г0·GМ – (α/ρн)·р1·GМ = [Г0 – (α/ρн)·р1]·GМ. |
(3.14) |
Количество газа, выделившегося из нефти на второй ступени сепарации, определяется как разность величин растворенного газа на первой и второй ступенях или разностью давлений на этих ступенях
V2 = (α/ρн)·(р1 – р2)·GМ. |
(3.15) |
Придерживаясь данной схемы расчета, для последующих ступеней можно записать
Vn = (α/ρн)·(рn-1 – рn)·GМ. |
(3.16) |
В формулах (3.11) – (3.16) обозначены:
Г и Гр – соответственно количество выделившегося и растворенного газа, поступившего на первую ступень сепарации, м3/ч;
Г0 – газовый фактор при нормальных условиях, м3/т;
GМ – дебит скважины, т/сут;
V1, V2,…, Vn – количество свободного газа, отсепарированного соответственно в первой, второй и n-й ступенях сепаратора, м3/сут;
α – коэффициент растворимости газа на различных ступенях сепарации, м3/м3·Па);
ρн – плотность нефти, т/м3.
Коэффициент растворимости газа α в нефти при давлениях выше 1МПа практически изменяется линейно. Коэффициенты α для давлений сепарации меньших 1 МПа будут различными (рисунок 28).
Поэтому для точных определений необходимо построить кривую изменения α в зависимости от давления на основе анализа глубинной пробы, разгазируемой в бомбе рVТ.
Приведенные формулы (3.13) – (3.16) недостаточно точны, поскольку в них не учтено изменение объемного коэффициента нефти b при ее разгазировании. С учетом сказанного можно записать формулу (3.16) в следующем виде
Vn = (αn/ρн)·(рn-1 – рn)·GМ·bn, |
(3.17) |
где b – объемный коэффициент нефти, характеризующий отношение единицы объема нефти в пластовых условиях к единице объема этой же нефти в поверхностных условиях (рисунок 28);
ρн – изменение плотности нефти при разгазировании ее на ступенях сепарации, условно показано на шкале этого рисунка.
Рисунок 28 – Ориентировочные коэффициенты растворимости газа в нефти α,
объемного коэффициента b, плотности нефти ρн, в скважине
8 Механический расчет сепараторов
Наибольшее применение имеют сепараторы цилиндрической формы и исключительно редко применяются сферические сепараторы.
При работе сепаратора стенки и днище его подвергаются действию равномерно распределенного избыточного давления р. Силы, действующие на днище, стремятся разорвать цилиндрическую часть сепаратора по поперечному сечению (σ2 – σ2). Давление на боковые стенки стремится разорвать сосуд по образующим цилиндра (σ1 – σ1) (рисунок 29, а).
Рисунок 29 – Расчетная схема цилиндрического сепаратора на прочность:
а – внутреннее давление на корпус сепаратора; б — тангенциальные напряжения в стенках сепаратора
Обозначив соответственно диаметр, длину и толщину стенки сепаратора через Dc, ℓ и δ, определим напряжения σ1 и σ2.
Силы, действующие на днище и растягивающие цилиндрическую часть сепаратора вдоль образующих, равны
Р = р·(π·Dс2/4). |
(3.18) |
Площадь, воспринимающая эти силы, представляет собой кольцо толщиной δ и диаметром Dc:
s = π·Dc·δ. |
(3.19) |
Отсюда аксиальные напряжения, действующие вдоль оси цилиндра, будут равны
σ2 = Р/s = [р·(π·Dс2/4)]·(π·Dc·δ) = (р·Dс)·(4·δ) |
(3.20) |
Тангенциальные напряжения σ1 можно найти, разрезав сепаратор диаметральной плоскостью и отбросив верхнюю часть (рисунок 29, б). На диаметральную плоскость в оставленной части сепаратора действует давление р. Оно уравновешивается силами N, растягивающими материал сепаратора в направлении, перпендикулярном образующим. При условии равновесия можно записать
p·Dс·ℓ = 2·N,
отсюда
N = (p·Dс·ℓ)/2
и тангенциальное напряжение
σ1 = N/δ·ℓ = (р·Dс)·(2·δ). |
(3.21) |
Расчет ведут по напряжению σ1, так как оно в два раза больше σ2. В практических расчетах напряжение σ1 заменяют допускаемым напряжением R, вводят коэффициент запаса прочности сварных швов φ и, делая прибавку С на коррозию, получают расчетные формулы для определения толщины стенки δ через внутренний, наружный и средний диаметры:
δ = [(р·Dвн)/(2·R·φ – р)] + С;
|
(3.22) |
δ = [(р·Dн)/(2·R·φ + р)] + С;
|
(3.23) |
δ = [(р·Dср)/(2·R·φ)] + С. |
(3.24) |
Величина С принимается равной 2÷3 мм.
В практических расчетах сварных корпусов сепараторов величину φ можно принять равной 0,95, а допустимое напряжение на разрыв для сталей марки Ст3 R = 250 МПа.
Расчет эллиптических днищ. Толщину эллиптических днищ определяют по тем же формулам, что и толщину цилиндрической части сепаратора (формулы 3.22–3.24), с той лишь разницей, что в числитель этих формул вводят коэффициент перенапряжения (фактор так называемой формы) Υэ, зависящий от отношения H/D (где Н – высота выпуклости эллиптического днища).
Коэффициент перенапряжения Y в практических расчетах принимается равным 1,06.