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Verfahren und Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Druckenergie von Erdöllagerstätten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzbarmachung der Druckenergie von Erdöllagerstätten, in denen unter höherem als atmosphärischem Druck Gas in Öl und Salzwasser teilweise gelöst und teilweise dem Gemisch als freies Gas beigeordnet ist, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Erdöllagerstätten enthalten bekanntlich ein Gemisch aus Rohöl und darin zumindest teilweise gelö-
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Dieses Gemisch befindet sich in seiner Lagerstätte unter einem verhältnismässig hohen Druck und besitzt auch eine Temperatur, die meist bedeutend höher ist als die der Erdoberfläche. Bei der Förderung des Rohöles wird ein Teil dieser Schichtenergie zwar nutzbar gemacht, um das Rohöl in das Bohrloch hineinzudrücken und in diesem hochzuheben, die überschüssige Energie wird dann aber durch Drosselung und Rohrreibung und Abkühlung des Rohöles in hohem Masse vergeudet.
Zweck der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, mit deren Hilfe es möglich ist, die Schichtenergie in bedeutend weitgehenderem Masse nutzbar zu machen als es bis heute möglich ist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das Rohöl gleichzeitig mit der Energieverwertung auch weitgehend in seine Komponenten zu zerlegen, nämlich in Reinöl, Gas. Salzwasser und Festbestandteile, ein Vorgang, der auch heute durchgeführt werden muss, wozu aber bisweilen recht kostspielige Vorrichtungen verwendet werden müssen, wie z. B. Emulsionstrennanlagen.
Es ist z. B. üblich, bei Fliesssonden oder Gasliftsonden in die Eruptionsköpfe Düsen einzuhauen, das Rohöl-Gasgemisch in diesen Düsen zu entspannen und dann einem Separator zuzuführen, der unter geringerem Druck das Gas aus dem Öl ausscheidet und auch einen Teil des Wassers sowie andere Verw1reini- gungen ausfällt. Diese Separatoren sind meist stehende, zuweilen auch liegende zylindrische Druckge-
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mÖl nur ausfallen, wenn dieses verhältnismässig beruhigt ist. Das grosse Volumen macht den Separator, der ja ein Druckgefäss sein muss, aber recht teuer.
Man hat darum immer wieder versucht, das Rohöl in die bekannten Separatoren tangential einzuführen, um so durch Fliehkraft eine bessere Reinigung zu erzielen. Die Praxis hat aber gezeigt, dass solche Verbesserungen nur unbedeutend sind. Das tangential eingeführte Öl strömt nämlich viel zu langsam, um einen merklichen Effekt zu ergeben. Die Reibung an der Separatorwand ist ja so gross, dass eine hohe Drehgeschwindigkeit mit der entsprechenden Fliehkraftwirkung gar nicht erreicht werden kann.
Man hat weiters auch schon versucht, das Öl durch von aussen angetriebene Zentrifugen zu reinigen.
Diese Methode ist aber nur dann anwendbar, wenn das öl in einem Separator vor der Zentrifuge sein Gas bereits abgegeben hat und auch die groben mechanischen Verunreinigungen bereits ausgefallen sind, denn die bekannten Zentrifugen bieten für eine Gasabscheidung keinen Raum mehr. Der hohe Kraftaufwand für den Antrieb von aussen lässt auch die Verwendung solcher Zentrifugen in der erforderlichen Anzahl, dass nämlich jede Förderbohrung eine eigene Zentrifuge erhält, wirtschaftlich nicht zu.
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Wenn das Öl gemeinsam mit viel Gas in den Separator einläuft, ist die völlige Abtrennung der Öltropfen aus dem Gas schwierig. Es müssen dazu in den bekannten Separatoren eine ganze Reihe von Parallelplatten oder gelochte Rohre eingebaut werden, was dessen Gewicht und Preis erhöht. Ist die Gasmenge gross, so kann ein völlig reines, farbloses Gas in einem einzigen Separator überhaupt nicht erzielt werden ; man muss dann mehrere Separatoren in Reihe schalten.
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dem Separator abgezogen werden ; hingegen scheidet sich das bereits mit dem Rohöl fein emulgierte Salzwasser nicht ab. Diese Emulsion verbleibt vielmehr im Rohöl und deren Zerlegung erfordert dann eine kostspielige Nachbehandlung des Öles.
Selbst die festen Beimengungen des Rohöles scheiden sich im bekannten Separator wegen der kurzen zur Verfügung stehenden Zeit nur teilweise aus ; besonders die feineren Tonteilchen verbleiben zum Teil im Öl suspendiert und verunreinigen später die Öltanks, Leitungen usw.
Die im Öl-Gasgemisch im Eruptionskopf noch vorhandene erhebliche Druckenergie wird bis heute in der Düse hinter dem Eruptionskopf durch Entspannung des Gemisches ungenutzt vernichtet, was bei for- derbohrungen mit einem hohen Druck und einem hohen Gas-Ölverhältnis eine ausserordentliche Energievergeudung bedeutet. Diese Energie muss dann, weil ja das Öl Druck benötigt, um in die Ölleitungen zu fliessen, wieder neu aufgebracht werden, was hohe Betriebskosten und Aufwendungen für Pumpen, Kraftstrom oder Kraftdampf ergibt.
Man hat zuweilen v er die ühnchen Separatoren noch sogenannte Hochdruckseparatoren geschaltet. In diesen wird ein Teil des Gasgemenges unter einem höheren Druck abgeschieden als in den nachfolgenden Separatoren. Man kann dadurch wohl Druckenergie des Gases sparen, doch haften auch diesem Separator alle andern aufgezählten Nachteile an. Die Aufwendungen für diese zusätzlichen Hochdruckseparatoren werden erst recht hoch und machen sich meistens doch nicht bezahlt. Hochdruckseparatoren sind darum in den Ölfeldern nur vereinzelt anzutreffen, wohingegen die meisten Förderbohrungen mit einem Niederdruckseparator versehen sind.
Dem Hochdruckseparator haften aber auch wesentliche prinzipielle Nachteile an. Das abgeschiedene Hochdruckgas könnte zwar einer Gasturbine zugeführt werden, die Investitionen hiefür sind aber so hoch und deren Betrieb wird wegen der Unbeständigkeit der produzierten Gasmenge und dessen Druckes sowie der erheblichen Abkühlung bei der Gasexpansion so kompliziert, dass man von der Verwendung solcher spezieller Gasturbinen absehen musste. Die Druckenergie des Gases aus dem Hochdruckseparator lässt sich deshalb praktisch nur nutzbar machen, um einem unmittelbar nachgeschalteten Kompressor das Gas mit
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pressoranlagen stehen aber nur selten in der Nähe der Bohrungen zur Verfügung. Sie lassen sich auch aus praktischen Gründen nur selten auf den Gasdruck der jeweiligen Bohrung genau abstimmen.
Der Hauptnachteil der Hochdruckseparatoren liegt aber darin, dass gerade die Hochdruckenergie des Öles nicht. ausgenützt werden kann. Dieses ist darum recht bedeutend, weil das Öl unter Druck noch iel Gas in Lösung hält und auch noch den grössten Teil des suspendierten Feststoffes. Eine nachgeschaltete
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geführten Sand schnell unbrauchbar werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung \ ermeiden diese Mängel.
Das erfindungsgemässe Verfahren dient zur Nutzbarmachung der Druckenergie von Erdöllagerstätten, in denen unter höherem als atmosphärischem Druck Gas in Öl und Salzwasser teilweise gelöst und teilweise dem Gemisch als freies Gas beigeordnet ist und ist dadurch gekennzeichnet, dass unter Ausschaltung der üblichen Entspannung in einem Eruptionskopf der Öl-Wasser-Gasschaum in einer Entspannungsdüse, deren Querschnitt der jeweiligen Geschwindigkeit und dem jeweiligen Volumen des Gemisches anpassbar ist, durch annähernd isotherme Entspannung die grösstmögliche Geschwindigkeit erhält, worauf der Öl- Wasser-Gasschaum die Trommel eines Separators von innen in an sich bekannter Weise annähernd tangential beaufschlagt, worauf die durch die Fliehkraft getrennten Schaumbestandteile gesondert in der Weise abgeführt werden,
dass das Gas die Trommel näher der Achse verlässt als die übrigen Gemischbe- standteile und durch Ausnützung der Corioliskraft antreibt, während die Öl-, Wasser- und Verunreini-
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diese Komponenten die Trommel unter einem grösseren Druck verlassen als dem Eintrittsdruck des ÖlWasser-Gasschaumes, wodurch die Druckenergie der Lagerstätte überwiegend in Druckenergie des die Trommel verlassenden gereinigten Öles übergeführt wird.
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Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, bestehend aus einem
Gas-Öl-Separator für unter Druck stehende Ölsonden mit einer vom Öl-Gasgemisch, das gegebenenfalls auch Salzwasser, Ton od. dgl. enthält, angetriebenen umlaufenden Trommel, die durch das sich entspan- nende Gemisch annähernd tangential beaufschlagt wird, wobei die Gemischkomponenten getrennt aus der 5Trommel abgeleitet werden, die im wesentlichen dadurch gekennzeichnet ist, dass die irommel kegel- stumpfförmig ausgebildet und in einem druckdichten Gehause so angeordnet ist, dass sie in zentrischen
Lagern, die sich auf einer feststehenden, vorzugsweise hohlen Welle aufstützen, so drehbar gelagert ist, dass zwecks Einspielung der Trommel auf ihre freie Drehachse zwischen Trommel und mindestens einem
Lager ein elastisches Zwischenglied, z.
B. ein Gummiring, vorgesehen ist.
Nach der Erfindung wird also das Rohöl-Gas-Salzwasser-Festkörpergemisch unter tunlichster Vermei- dung jedweder Drosselung in Schaumform in einer für den Schaumzustand speziell errechneten Düse einer freidrehenden Trommel von innen annähernd tangential zugeführt. Diese Trommel dreht z. B. frei gela- gert um eine senkrechte Achse innerhalb eines druckdichten Gefässes. Wegen des innigen Kontaktes des expandierenden Gases mit dem Öl in Schaumform erfolgt dessen Expansion fast isotherm, besonders, da ja aus dem Ölschaum bei fallendem Druck dauernd frisches, vorher gelöstes Gas frei wird. Im Bereich der
Düsen wird die drehende Trommel angetrieben und wirkt also als Turbine. Da sich jedoch wegen der
Fliehkraft in ihr die Gemischteile nach ihrem Gewicht schichtenförmig anordnen, wirkt sie anschliessend auch sofort als Zentrifuge.
Bei der anschliessenden Entnahme der Flüssigkeitskomponenten durch Düsen, die den Staudruck ausnützen, wirkt sie dann als Pumpe. Somit wird die Schichtenergie dazu verwendet, das Rohöl in seine Komponenten zu zerlegen und gleichzeitig die Fliissigkeitskomponenten unter einem bedeutend höheren Druck als dem Eintrittsdruck aus der Vorrichtung wieder hinauszuführen, weil eben die Energie des annähernd isotherm expandierenden Gases hiefür nutzbar gemacht wird. Diese Nutzbar- machung geschieht aber in einer Maschine, bei der das gleiche Maschinenelement, nämlich eine frei um ihre freie Achse drehbare Trommel, sowohl für die Krafterzeugung in einer Turbine als auch für die
Trennung als Zentrifuge mit etwa zehntausendfacher Schwerkraft, als auch als Arbeitsmaschine, nämlich als neuartige Kreiselpumpe, dient.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung besitzt ein nur kleines Volumen, da in ihr Bestandteile des Rohöls nicht durch Beruhigung der Flüssigkeit sondern bei grosser Geschwindigkeit durch die Fliehkraft voneinan- der getrennt werden. Wegen der hohen Drehzahl ihrer Trommel (z. B. 8000 U/min) erfolgt die Trennung der Rohölkomponente augenblicklich und recht \ ollkommen, so dass auch die Salzwasser-Rohölemulsion grossenteils zerfällt. Trotz der drehenden Trommel ist der erfindungsgemässe Zentrifugatseparator billig, weil ja bei Maschinen der Serienfertigung das geringere Gewicht auch die kleineren Aufwendungskosten ergibt. Er ersetzt nicht nur den üblichen Separator sondern gleichzeitig auch die Entspannungsdilse des
Eruptionskopfes.
Die ursprüngliche Energie des Rohöl-Gasgemisches wird im Zentrifugalseparator zunächst in Geschwindigkeitsenergie als Winkelgeschwindigkeit der drehenden Trommel umgesetzt. Diese wird dann ausgenutzt, um die Bestandteile des Rohöls durch die Fliehkraft zu trennen und das abgeschiedene
Reinöl und Salzwasser wieder auf einen hohen Druck zu bringen. Dieser liegt bedeutend höher als der
Ausgangsdruck des Gemisches. Das erklärt sich daraus, dass das Gas bei der Separation entspannt wird und d. inn entspannt bleibt. Die bei der Gasentspannung abgegebene Energie kann. auf das Öl übertragen, die- sem eine grosse Geschwindigkeit verleihen, die nachher wieder in Druck umgesetzt werden kann.
Da- durch kann das Reinöl direkt aus dem Zentrifugalseparator den Druckölleitungen zufliessen und alle In- vestitionen für Lagerung des Öls in Tanks. Pumpen. Kraftstrom oder Kraftdampf werden überflüssig.
An Hand eines Ausführungsbeispieles wird der Gegenstand der Erfindung dargestellt und näher erläu- tert. Fig. 1 zeigt in einem teilweisen Längsschnitt den erfindungsgemässen Separator. Die kegelstumpf- förmige Trommel 40 befindet sich in einem druckdichten Gehäuse 1, 3, 3a, 4, das auf Fiissen 2 aufgestützt ist. Die Trommel 40 ruht auf zentrischen Lagern 14. 15, die sich auf einer feststehenden, vorzugsweise hohlen Welle 5 aufstützen, wobei mindestens bei einem Lager J 5 ein elastisches Zwischenglied, z. B. ein
Gummiring 16, vorgesehen ist.
Die zur Gemischzufuhr vorgesehene hohle Welle 5 geht in tangentiale
Entspannungsdilsen 6 über, die in entsprechend geformten Aussparungen radialer Mitnehmerbleche 18,19,
20 einmünden, welche mit dem Trommelteil 11 fest verbunden sind. Oberhalb und unterhalb der Ent- spannungsdüse 6 sind zwei mit der Trommel 40 verbundene horizontale, annähernd als Scheiben gleicher
Festigkeit ausgebildete Trennwände 10, 12 vorgesehen, die den Entspannungsraum abgrenzen und nahe der
Trommelwand Öffnungen 42 für den Ablauf der Gemischkomponenten aufweisen.
Die zur Abfuhr der Öl- komponenten dienende Düse 8 besitzt tangentialen Einlauf und ist stetig in radialer Richtung Übergehend sich diffusorartig erweiternd in einem Arm untergebracht, der etwa dasrouieines'lragilügels besitzt und in die Senkrechte umbiegend allmälilich in die obere zentrische Hohlwelle 7 übergeht. Die Düsen
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23 für die Entnahme der Wasser- Ton- u. dgl. Komponenten sind in ihrer Längsrichtung durch eine Stopfbüchse hindurch axial verschiebbar ausgebildet. In der Wandung des unteren Teiles 9 der Trommel 40, an dem die Bleche 17 sitzen, sind mehrere achsparallele Öffnungen 41 für den Gasaustritt angeordnet, aie näher der Achse liegen als der Austritt der Entspannungsdüse 6.
Die Entspannungsdüse 6 wiederum ist am Eintrittsrohr 5 und die Ölentnahmedüse 8 am Austrittsrohr 7 aufgeschraubt und durch eine Überwurfmutter mit gegenläufigem Gewinde gesichert. Das Auslaufrohr 24 für das Gas kann ein Drosselventil tragen, durch welches die Drehzahl der Trommel regulierbar ist.
Fig. 2 stellt den Schnitt A-A'dar, wobei um das Einlaufrohr 5 das Lager 14 angeordnet ist und der Unterteil der Trommel 9 achsparallele Öffnungen (41) aufweist.
Fig. 3 zeigt den Schnitt B-B', wobei die Trennwand 10 Öffnungen (42) für den Ablauf der Gemischkomponenten aufweist.
Fig. 4 zeigt den Schnitt C-C', aus der die Entspannungsdüse 6 ersichtlich ist. Mit 11 ist der Mittelteil der Trommel und mit 19 eines der radialen Mitnehmerbleche bezeichnet.
Fig. 5 zeigt den Schnitt D-D', wobei die Anordnung des Lagers 15 des elastischen Zwischengliedes 16 auf der Trennwand 10 ersichtlich ist.
Fig. 6 zeigt den Schnitt E-E', aus der sowohl die zur Gemischzufuhr dienende Hohlwelle 5 als auch das für das Austreten des Öles dienende Rohr 7 zu sehen ist.
Fig. 7 stellt den Schnitt F-F'dar. Auf dem Trommeloberteil 13 befinden sich die radialen Mimehmerbleche 21 und 22, während die Ölentnahmedüse 8 in das Austrittsrohr 7 übergeht.
Fig. 8 zeigt im Längsschnitt im vergrösserten Massstab die Verbindungsstelle des oberen Trommelteiles 13 mit dem Trommel teil 11, zwischen welchen die Trennwand 12 eingefügt ist, wobei den Verschraubungsstellen Dichtungsringe 29 und 29'vorgelagert sind.
Fig. 9 gibt in graphischer Darstellung die in einem Kubikmeter Rohöl-Gasgemisch enthaltenen Energleverhalmisse bei unterschiedlichem Druck im Separator wieder. Die linke Kolonne zeigt bei einem Gas/Öl-Verhältnis von 80 und einem Druck von 27 at den Zustand vor der üblichen Düse im Eruptionkopf. Es ist sofort ersichtlich, dass die bedeutend grössere Energiemenge nicht im Öl 30, sondern im Gas 31 vorhanden ist. Hingegen gibt die rechte Kolonne die Energiemenge an, die in einem Rohöl-Gas-Gemisch in einem Separator von 7 at noch vorhanden ist. Dabei ist die Energiemenge des Öles mit 30'und die des Gases mit 31'bezeichnet. Dieser Zustand gilt also für das Gemisch in einem der heute üblichen Separatoren. Bisher wurde die Differenz 32 in der Düse des Eruptionskopfes durch Wirbelung vergeudet.
Gemäss der Erfindung wird hingegen gerade diese Energiedifferenz dazu ausgewertet, um dem aus dem Gemisch abgeschiedenen Öl einen höheren als den Eintrittsdruck zu erteilen.
Fig. 10 zeigt an Hand eines Diagrammes, dass ein umso höherer Ölaustrittsdruck P, erzielbar ist, je tiefer bei einem bestimmten Anfangsdruck P. derSeparatoraustriusuruck t'des Gase gewählt wird, nicht aber tiefer. Es ist wünschenswert, auch das Gas bei möglichst hohem Druck auszuscheiden, um gegebenenfalls vorhandenen, an die Gasleitung angeschlossenen Kompressoren auch einen hohen kraftsparenden Ansaugdruck zu geben.
Fig. 11 zeigt im Längsschnitt wie die Entspannungsdüse 6 am Eintrittsrohr 5 und die Ölentnahmedüse 8 am Austrittsrohr 7 aufgeschraubt und durch eine Überwurfmutter mit gegenläufigem Gewinde gesichert wurden. Es sind dabei die zu verbindenden Rohrteile mit 33 und 34 bezeichnet, die von der Überwurfmutter 35 zwischen den Bunden 36 und 37 gehalten werden. Das Rohr 33 wird mit dem Rohr 34 erst mit Linksgewinde 38 so verschraubt, bis Bund 36 auf Bund 37 fest und dicht aufliegt. Dann wird die Überwurfmutter 35 auf Bund 37 mit entgegengesetztem, also in diesem Falle Rechtsgewinde, aufgeschraubt und drückt dadurch den Bund 36 nochmals an den Bund 37 an. Will nun Rohr 33 gegenüber Rohr 34 links drehen, so wird es durch das Linksgewinde 38 daran gehindert. Versucht Rohr 33 nach rechts zu drehen, so wird dieser Vorgang durch das Rechtsgewinde 39 verhindert.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Arbeitsort für die erfindungsgemässe Vorrichtung in der Sonde am Fussende der Steigleitung anzuordnen. Desweiteren ist es aber auch zweckmässig, wegen der besseren Zugänglichkeit den Platz für die erfindungsgemässe Vorrichtung in der Nähe des Bohrlochmundes zu wählen. In Sonderfällen kann es auch vorteilhaft sein, zwei der genannten Vorrichtungen in Serie zu schalten, z. B. bei Emulsionsbehandlungen. Es wird dann in der ersten Vorrichtung das Öl vom Gas und den Verunreinigungen getrennt, in der zweiten das Salzwasser von der Emulsion. Letztere kann dann z. B. nach Zugabe von Chemikalien dem Kreislauf wieder zugeführt werden. Mitunter ist es auch zweckmässig, das Rohölgemisch vor Eintritt in den Separator etwas anzuwärmen, um gegebenenfalls sonst stattfindende Paraffinausscheidungen in der Trommel zu verhindern.