BRPI0609243A2 - separador para separar um fluxo em um primeiro fluido, um segundo fluido mais denso do que o primeiro fluido, e sólidos, bem como sistema incluindo o separador - Google Patents

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Abstract

SEPARADOR PARA SEPARAR UM FLUXO EM UM PRIMEIRO FLUIDO, UM SEGUNDO FLUIDO MAIS DENSO DO QUE O PRIMEIRO FLUIDO, E SóLIDOS, BEM COMO SISTEMA INCLUINDO O SEPARADOR. Um separador (10) para separar ou parcialmente separar óleo, água, gás e sólidos de fluidos do poço de produção de hidrocarboneto compreende um vaso (12) e um ciclone (14) contidos dentro do vaso. Uma passagem de entrada (18) passa através de uma parede do vaso (12) e para o ciclone (14), a passagem de entrada tendo dispositivo para fazer com que o fluxo gire dentro do ciclone. Uma primeira passagem de saída (22) para uma fase rica em óleo se estende de uma posição dentro do ciclone e substancialmente em um eixo central (24) do ciclone; uma segunda passagem de saída (32) para uma fase de água se estende de uma base do vaso; e uma terceira passagem de saída (38) para os sólidos se estende de uma extremidade inferior do ciclone.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SEPARADORPARA SEPARAR UMA MISTURA DE LÍQUIDO/LÍQUIDO/GÁS/SÓLIDO".
A presente invenção refere-se a um separador e particularmen-te, mas não exclusivamente, a um separador para separar ou parcialmenteseparar óleo, água, gás e sólidos de fluidos de poço de produção de hidro-carboneto.
Antecedentes da Invenção
A produção de hidrocarbonetos particularmente de campos deóleo e de gás remotos ou marginais no mar é fornecida para ser de signifi-cante importância para companhias de óleo, e para as economias de algunspaíses produtores de óleo. As maiores descobertas de óleo são agora umaminoria, e estão em muitos casos iniciando a, ou estão, sofrendo um afuni-lamento de produção causado por altas taxas de produção de água. É a ex-tensão da vida econômica do campo desses e o desenvolvimento das reser-vas menores de óleo recuperável em água profunda, ou uma longa distânciade quaisquer outros recursos, que cria a necessidade por um separadorcompacto de nova geração.
Para continuar a produzir ou trazer para produção tais camposem um método econômico e ambientalmente seguro, deve ser benéfico se-parar o volume de qualquer água produzida, particularmente quando o cam-po tiver introduzido sua fase contínua de água, tanto na extremidade frontaldo processo de separação na superfície quanto no leito do mar. A maioria deprodutos secundários não desejados do poço de óleo, tal como a água e ossólidos produzidos, necessitarão serem administrados tanto por descargapara o meio ambiente enquanto satisfazem as regras no local para fazer is-so, quanto por reinjeção em uma zona de disposição ou de manutenção depressão na vizinhança do poço de produção, em alguns casos os sólidospodem ter que ser transportados para a margem para tratamento e distribui-ção. Tudo isso pode ser alcançado durante a administração intermitente degrandes volumes de gás, sólidos, óleo e água, conhecido na indústria como"golfada". Tem sido a administração dessas golfadas que tem usado histori-camente grandes vasos de pressão com um tempo de três minutos ou maisde suspensão ou de retenção, ou métodos de inibição de golfada para equa-lizar esse fluxo intermitente ou de golfada.
Exposição da Invenção
De acordo com a presente invenção é fornecido um separadorpara separar um fluxo em um primeiro fluido, um segundo fluido que é maisdenso do que o primeiro fluido, e sólidos, o separador compreendendo:
um vaso, um ciclone contido dentro do vaso, uma passagem deentrada passando através de uma parede do vaso e para o ciclone, a pas-sagem de entrada tendo dispositivos para fazer com que o fluxo gire dentrodo ciclone; uma primeira passagem de saída para o primeiro fluido se esten-dendo de uma posição dentro do ciclone e substancialmente em um eixocentral do ciclone; uma segunda passagem de saída para o segundo fluidose estendendo de uma base do vaso; e uma terceira passagem de saídapara os sólidos se estendendo de uma extremidade inferior do ciclone.
A extremidade superior do ciclone pode ser aberta para o vasoe, em uso, o segundo fluido pode transbordar o ciclone no vaso.
O vaso pode ser substancialmente simétrico em torno do seueixo vertical central.
O vaso pode ser cilíndrico.
Dispositivos podem ser fornecidos para fazer com que o fluxogire dentro do ciclone compreendendo conformar ou alinhar a passagem deentrada para dirigir o fluxo de entrada para longe do eixo central do ciclone.
Um suspiro de gás pode ser fornecido em uma parte superior dovaso.
A terceira passagem de saída pode incluir uma unidade de fluidificação situada no ciclone.
Uma passagem adicional pode ser fornecida para canalizar águapara a unidade de fluidificação.
Uma sede de vórtice ou detector de núcleo pode ser posicionadano ciclone acima da unidade de fluidificação.
A primeira passagem de saída pode ter fendas que abrem emuma parte do ciclone em que o primeiro fluido se acumula conforme ele sesepara.
Um filtro pode ser fornecido em um espaço entre o ciclone e ovaso.
Uma entrada de gás e um dispositivo de distribuição podem serfornecidos na base do vaso.
Uma blindagem de núcleo pode ser fornecida em uma extremi-dade aberta do ciclone.
De acordo com um segundo aspecto da invenção, um sistemapode ser fornecido em que uma tubulação é conectada à primeira saída doseparador, uma bomba é fornecida na tubulação para aumentar a pressãodo fluxo através da primeira saída, e um indutor ou bomba de jato é forneci-do na tubulação a jusante da bomba, o indutor ou bomba de jato sendo co-nectado a um suspiro de gás do separador.
A tubulação pode ser conectada ao equipamento a jusante emuma pressão maior do que do separador.
É uma vantagem da invenção em que ela fornece um métodoconfiável de remover, pelo menos 80% da água produzida de uma correntedo orifício do poço. Ela também fornece administração de sólidos, de modoque as vazões volumétricas de líquido para um expurgador ou através de umprocesso de separação existente são reduzidas, permitindo desse modo quemais poços sejam perfurados e produzidos com facilidades existentes. Issoem muitos casos poderia aumentar a ciência econômica de produção e re-servas recuperáveis ou de recursos de produção de óleo existentes no mar,novas instalações no mar ou de campos marginais no mar.
Vantajosamente, o sistema é capaz de administrar golfadas defluidos e de sólidos sem uma queda no processo, oferecendo desse modoao separador uma alta taxa de redução para cada fase a ser separada.Breve Descrição dos Desenhos
Para um melhor entendimento da presente invenção, e paramostrar mais claramente, como isso pode ser efetuado, uma referência seráagora feita, a título de exemplo, aos desenhos em anexo, em que:
A figura 1 é um corte transversal através de uma primeira moda-lidade de um separador de acordo com a presente invenção;
A figura 2 é um corte transversal através de uma segunda moda-lidade de um separador de acordo com a presente invenção; e
A figura 3 mostra um arranjo esquemático de um processo in-corporando um separador como mostrado na figura 1 ou figura 2, incluindoum dispositivo de bomba para aumentar a pressão através de uma saídarica em óleo do separador de modo a alimentar um indutor ou bomba de ja-to, que puxa gás do separador para uma tubulação ou equipamento de cor-rente descendente em uma pressão maior do que do separador.
Descrição Detalhada de Modalidades Preferidas
Com referência primeiramente à figura 1, uma primeira modali-dade de um separador é indicada geralmente em 10. O separador compre-ende um vaso de pressão ou tanque 12 e um ciclone 14 montado dentro dovaso de pressão 12, espaçado da parede do vaso de pressão 16. O vaso depressão 12 é substancialmente cilíndrico com extremidades abobadadas, etem um eixo vertical central indicado em 24. O ciclone 14 é montado coaxi-almente dentro do vaso de pressão 12. Uma passagem de entrada 18 seestende através da parede 16 do vaso de pressão 12, através de um espaçoanular interno 20 entre o vaso de pressão e o ciclone 14, e no ciclone 14. Apassagem de entrada 18 abre no ciclone 14 tangencialmente, e é conforma-da para fazer com que fluidos entrem no ciclone através da passagem 18para girar, e por conseguinte, causar um fluxo de turbilhonamento ou regimede fluxo de vórtice no ciclone 14.
O ciclone 14 é também substancialmente cilíndrico, com umaextremidade inferior fechada 26 e uma extremidade superior aberta 28. Umdetector de núcleo 30, alternativamente conhecido como uma sede de vórti-ce, é posicionado na base do ciclone, espaçado da extremidade inferior 26do ciclone, onde os sólidos separados podem acumular.
Uma primeira passagem de saída 22 para uma fase rica em óleose estende através da extremidade superior da parede do vaso de pressãoao longo do eixo 24, através da extremidade superior aberta 28 do ciclone14 e termina em uma posição diretamente acima e espaçada do detector denúcleo 30, onde uma almofada de óleo ou núcleo de vórtice irá existir.
Uma segunda passagem de saída 32 para uma fase contínua deágua é fornecida na base do vaso de pressão 12, e é conectada a um dispo-sitivo de controle de nível da válvula de vórtice 34.
Alternativamente, a passagem de saída 32 é conectada a umcontrole de nível de líquido ou um óleo em dispositivo de controle da quali-dade do conteúdo de água.
Um primeiro tubo 31 se estende de um lado do dispositivo decontrole de nível da válvula de vórtice 34, entre o ciclone 14 e a parede dovaso de pressão 16, e termina em uma extremidade aberta 33. A extremida-de aberta 33 é posicionada acima da extremidade superior aberta 28 do ci-clone. Um segundo tubo 35 se estende do outro lado do dispositivo de con-trole de nível da válvula de vórtice 34 e termina em uma extremidade aberta37, substancialmente em nível com a base do ciclone no vaso. O dispositivode controle de nível da válvula de vórtice 34 controla o fluxo da fase contínuade água do separador.
A saída 32 pode reportar via um dispositivo de válvula ou dire-tamente para um poço ou zona de injeção/disposição via uma bomba de in-jeção, ou para qualquer tipo de unidade de polimento, tal como um hidroci-clone para desolear líquido/líquido, um óleo do aparelho para filtração deágua, um dispositivo de flotação ou um separador de chapa (não mostrado),de modo a adicionalmente reduzir o óleo no conteúdo de água da água pro-duzida. A água pode também necessitar adicionalmente de uma desgaseifi-cação antes da disposição ao mar ou reinjeção.
Uma terceira passagem de saída 36 para sólidos é fornecidaatravés da parede do vaso de pressão 16, que termina em uma abertura quefaceia para baixo 38, abaixo do detector de núcleo 30 (como visto). A passa-gem de saída 36 é parte de uma unidade de fluidificação 40, também com-preendendo uma entrada de água 42 que, quando alimentada com um fluidoem uma pressão maior do que a existente no vaso 12 fluidifica os sólidosestabelecidos na base do ciclone cego 14 e dirige-os para a passagem desaída 36 para disposição ou tratamento adicional.Uma quarta passagem de saída 44, primariamente para gás, éfornecida na extremidade superior do vaso de pressão 12. A passagem desaída 44 pode também ser usada para controle de pressão no vaso 12, pararemover óleo do vaso de pressão, e para introduzir um gás de pressão maiormediante certas circunstâncias.
Um pacote de chapa de coalescência ou meio de filtro 50 é posi-cionado no espaço anular 20. O material de coalescência é desenhado paraaumentar a distribuição de qualquer tamanho de gotícula de óleo na águaproduzida separada de modo a ajudar um tratamento terciário adicional. Porconseguinte, o meio de coalescência ou de filtro inibe as gotículas de óleode passarem para a base do vaso de pressão 12, criando desse modo umaalmofada de óleo, que será periodicamente removida. O óleo liberado sobepara a parte superior do separador no núcleo rico de óleo no ciclone e saiatravés da saída 22 mediante a lei de Stokes.
Uma entrada de gás 46 e um dispositivo de distribuição 48 sãodispostos na base do vaso de pressão 12, sob o ciclone 14 (como visto) a-través do que o gás pode ser injetado de modo a criar uma manta de bolhasfinas para expurgar o espaço anular entre o ciclone e a parede do vaso depressão. Isso ajuda a separação de gotas de óleo da água produzida sepa-rada. Tal gás poderia também ser na forma de condensado em forma delíquido que pode ter o efeito de puxar, por transferência de massa, óleo dis-solvido fora da fase de água conforme ele expurga através do espaço anular20 e reporta à primeira ou quarta saída 22, 44. A entrada 46 e o dispositivode distribuição 48 podem também ser usados para injetar químicas de de-semulsificante como requerido.
Em uso, os fluidos de um poço ou poços de produção reportamao separador 12 através da passagem de entrada 18 e ajustam um regimede fluxo em turbilhonamento ou de fluxo em vórtice no ciclone 14. O detectorde núcleo 30 captura e reflete o núcleo do vórtice produzido pelo movimentorotatório dos fluidos no ciclone 14. O gás livre migra para cima e coleta naextremidade superior abobadada no vaso de pressão 12 e sai do separador10 mediante controle de pressão da saída de gás 44. Uma fase rica em óleocontínua reporta sob controle de pressão diferencial para a passagem desaída 22.
Uma fase de água contínua transborda a extremidade aberta dociclone 14 e sai do separador 10 por meio do dispositivo de controle de nívelda válvula de vórtice 34, através da saída 32. A água passa inicialmente forado segundo tubo 35 e dentro da válvula 34 onde um regime de fluxo de vórtice é estabelecido. O fluxo da passagem de saída 32 está em um mínimo.Quando o fluxo de água sobre o ciclone aumenta, o nível de água aumentano vaso até transbordar o primeiro tubo 31. Os tubos 31, 35 entram na válvula 34 tangencialmente oposta, e desse modo quando a água flui através deambos os tubos, o regime de vórtice é destruído e a água deixa a passagem32 em fluxo máximo. Isso controla o nível de água no separador. Os sólidosque se estabelecem abaixo do detector de núcleo 30 são removidos peloaparelho de fluidificação 40. O separador 10 tem um tempo de suspensão(ou de retenção) de separador 10 a 60 segundos. Com referência agora àfigura 2, uma segunda modalidade de um separador é indicada em 60. Oseparador 60 compreende um vaso de pressão ou tanque 62 e um ciclone64 montado dentro do vaso de pressão 62, espaçado da parede do vaso depressão 66. O vaso de pressão 62 é substancialmente cilíndrico com extremidades abobadadas, e tem um eixo vertical central indicado em 74. O ciclone 64 é montado coaxialmente dentro do vaso de pressão 62. Uma passagem de entrada 68 se estende através da parede 66 do vaso de pressão62, através de um espaço anular interno 70 entre o vaso de pressão e o ciclone 64, e no ciclone. A passagem de entrada 68 abre no ciclone 64 tangencialmente, e é conformada para fazer com que fluidos entrem no cicloneatravés da passagem 68 para girar, e por conseguinte, causar um fluxo deturbilhonamento ou regime de fluxo de vórtice no ciclone 64.
O ciclone 64 tem uma porção superior substancialmente cilíndrica 72, uma extremidade superior aberta 78, uma porção inferior cônica 76 euma extremidade inferior 80 levando a uma passagem de saída 82 e umaválvula 84, que pode ser aberta periodicamente para permitir a liberação desólidos acumulados.Como na modalidade anterior, o separador 60 tem uma passa-gem de saída 85 para uma fase rica em óleo que se estende através da ex-tremidade superior da parede do vaso de pressão ao longo do eixo 74, atra-vés da extremidade superior aberta 78 do ciclone 64 e termina em uma posi-ção aproximadamente a meio caminho para baixo da porção inferior cônica76 do ciclone 64, onde existirá uma almofada de óleo ou núcleo de vórtice.Uma série de fendas ou aberturas 94 permite que a corrente rica em óleoentre na passagem de saída 84. As fendas 94 são desenhadas para minimi-zar a coleta de gás na corrente rica em óleo. Uma blindagem de núcleo 86 éfornecida na extremidade superior aberta 78 do ciclone 64, que incorporauma pluralidade de tubos ascendentes de gás 88, isto é, tubos que se es-tendem na direção da extremidade superior abobadada do vaso 62. O pro-pósito da blindagem do núcleo 86 é promover altas taxas de fluxos axiais arotacionais (turbilhão) dentro do ciclone 64 para acelerar a formação do nú-cleo de vórtice rico em óleo e liberar gás livre aos tubos ascendentes de gás88. Uma tampa ou espaço de gás, indicado em 90, acumula acima o nível delíquido no separador, indicado em 92. A passagem de saída 85, conhecidatambém como um tubo de submersão, pode ter um trado em espiral na suasuperfície externa, que auxilia a migração do gás para os tubos ascendentesde gás 88.
Uma passagem de saída 96 para a fase de água é fornecida naextremidade de fundo abobadada do vaso 62, e uma passagem de saída 98para a fase de gás é fornecida na extremidade superior abobadada do vaso.Como na modalidade anterior, um pacote de chapa de coalescência ou meiode filtro 100 é posicionado no espaço anular 70. A fase de água transborda aextremidade superior aberta 78 do ciclone 64, passa através do pacote dechapa de coalescência ou meio de filtro, e sai através da passagem de saída96.
Um sistema, incorporando um dos separadores 10, 60 é mostra-do na figura 3. Os fluidos do poço de produção de hidrocarboneto de um po-ço ou furo de sonda são canalizados para a passagem interna 16, 68 do se-parador. Uma bomba 104 é conectada à saída rica em óleo 22, 85, que au-menta a pressão da saída de modo a alimentar um indutor ou bomba de jato106 com energia motiva suficiente para puxar gás da saída de gás do sepa-rador em uma tubulação 108 ou equipamento a jusante 110, que está emuma pressão maior do que o separador. O equipamento a jusante 110 podeestar, por exemplo, a 20 km para longe do separador 10, 60.
O sistema fornece duas vantagens. Primeiramente, o equipa-mento a jusante 110 pode ser mantido na sua pressão de operação ótimapara alimentar, por exemplo, um compressor de gás existente 112, indepen-dente das perdas de pressão através do separador e na tubulação 108. Issoé importante quando o equipamento de reajuste de separação a montantedo aparelho de processo existe para administrar altos cortes de água. Emsegundo lugar, o sistema pode ser usado para reduzir a altura de elevaçãohidrostática que opera no poço em questão e impulsionar a taxa de fluxo dopoço, em particular, somente bombeando a corrente rica em óleo que estaráde volume reduzido com menos gás associado, fazendo o sistema ser demais custo útil e mais simples para manter, comparado com aquele reforçosubmarino.
Cada separador descrito aqui é um tipo de vaso extrator de águalivre compacto (remoção de água produzida de uma corrente de três fasesde óleo, gás e água) que usa uma unidade de ciclone cega embutida maisbem descrita como um dispositivo de ciclone simples tendo uma entrada defluido tangencial, uma saída para a corrente rica em óleo que reporta ao ladode fora do separador e uma saída ou barragem de vertedouro na seção detopo aberta disponível para fluxo contínuo. Uma outra saída para uso inter-mitente ou em dose para a remoção de sólidos é opcionalmente fornecida. Otubo de submersão usado para comunicar com o centro axial do ciclone ce-go pode mover verticalmente para cima ou para baixo o eixo do ciclone cegode modo a ser posicionado no ponto ótimo no corpo do ciclone cego. Na prá-tica, o tubo de submersão, ou passagem de saída rica em óleo está em umapressão menor do que o vaso separador.
Um encaixe (não mostrado) pode opcionalmente ser fornecidona passagem de entrada 18, 68 de cada separador, o qual reduz a área deseção transversal da passagem de entrada, e, por conseguinte, aumenta avelocidade do fluxo dos fluidos de entrada. Isso aumenta a velocidade deturbilhão ou rotatória no ciclone, e tem o efeito de reduzir o tempo de retenção no separador.
O ciclone cego descrito também na primeira modalidade temuma unidade de fluidificação para remover sólidos retidos da sua base parao lado de fora do tanque ou vaso de pressão do ciclone cego para distribuirna forma de pasta para tratamento adicional ou armazenagem seguindo oestágio de desgasificação. A água é deslocada pelos ciclones cegos intensificados por forças centrífugas para a parede de ciclones cegos, onde ela éforçada a viajar para cima para transbordar no topo da parede externa dociclone cego. É uma característica importante, que a saída rica em óleo nãorearraste sólidos ou gás. O separador pode ser controlado por diferenciaisde pressão e/ou níveis, com uma provisão de cancelamento baseada em medida de qualidade de água, se requerida.
O separador é geralmente pretendido ser operado acima dapressão atmosférica, mas ele pode alternativamente ser operado abaixo dapressão atmosférica ou pode ser aberto para a atmosfera. Vantajosamente,o vaso é um vaso de pressão estanque a fluido, que pode ser operado emum ambiente hostil, tal como em uma instalação de produção de óleo no marou no leito do mar.

Claims (18)

1. Separador para separar um fluxo em um primeiro fluido, umsegundo fluido que é mais denso do que o primeiro fluido, e sólidos, o separador compreendendo:um vaso,um ciclone contido dentro do vaso,uma passagem de entrada passando através de uma parede dovaso e para o ciclone, a passagem de entrada tendo dispositivos para fazercom que o fluxo gire dentro do ciclone;uma primeira passagem de saída para o primeiro fluxo se estendendo de uma posição dentro do ciclone e substancialmente em um eixocentral do ciclone;uma segunda passagem de saída para o segundo fluido se estendendo de uma base do vaso; euma terceira passagem de saída para os sólidos se estendendode uma extremidade inferior do ciclone.
2. Separador de acordo com a reivindicação 1, em que uma extremidade superior do ciclone é aberta para o vaso e, em uso, o segundofluido transborda o ciclone no vaso.
3. Separador de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que ovaso é substancialmente simétrico em torno do seu eixo vertical central.
4. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 3, em que o vaso é cilíndrico.
5. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1a 4, em que o dispositivo para fazer com que o fluxo gire dentro do ciclonecompreende conformar ou alinhar a passagem de entrada para dirigir o fluxode entrada para longe do eixo central do ciclone.
6. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, em que o suspiro de gás é fornecido em uma parte superior dovaso.
7. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, em que um filtro é fornecido em um espaço entre o ciclone e ovaso.
8. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicaçõesprecedentes, em que a terceira passagem de saída inclui uma unidade defluidificação situada no ciclone.
9. Separador de acordo com a reivindicação 8, em que umapassagem adicional é fornecida para canalizar água para a unidade de fluidificação.
10. Separador de acordo com a reivindicação 8 ou 9, em queuma sede de vórtice ou detector de núcleo está posicionada no ciclone acima da unidade de fluidificação.
11. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 10, em que a entrada de gás e o dispositivo de distribuição são fornecidos na base do vaso.
12. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 a 11, em que a segunda passagem de saída é controlada por um dispositivo de controle de nível da válvula de vórtice.
13. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, em que a primeira passagem de saída tem fendas que abrem em umaparte do ciclone em que o primeiro fluido acumula conforme ele é separado.
14. Separador de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7 ou 13, em que a blindagem do núcleo é fornecida em uma extremidade aberta do ciclone.
15. Sistema incluindo um separador de acordo com a reivindicação 1, compreendendo uma tubulação conectada à primeira saída do separador, uma bomba na tubulação para aumentar a pressão do fluxo atravésda primeira saída, e um indutor ou bomba de jato na tubulação a jusante dabomba, o indutor ou bomba de jato sendo conectado a um suspiro de gás doseparador.
16. Sistema de acordo com a reivindicação 15, em que a tubulação é conectada ao equipamento a jusante em uma pressão maior do quedo separador.
17. Separador substancialmente como descrito aqui, com refe-rência a e como ilustrado nas figuras 1 e 2 dos desenhos em anexo.
18. Sistema substancialmente como descrito aqui, com referência a e como ilustrado na figura 3 dos desenhos em anexo.
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