BRPI0617822A2 - separador por gravidade, e um método para separação de um mistura contendo água, óleo e gás - Google Patents

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Abstract

SEPARADOR POR GRAVIDADE, E UM MéTODO PARA SEPARAçãO DE UMA MISTURA CONTENDO áGUA, óLEO E GáS. A presente invenção refere-se a um separador por gravidade que compreende um vaso dentro do qual uma mistura contendo água, óleo e gás pode se separar por gravidade para a formação de camadas verticalmente discretas de óleo e água e uma fase de gás. Um duto de entrada se comunica com uma entrada de vaso para a mistura contendo água, óleo e gás. O duto de entrada do separador por gravidade compreende um meio injetor que injeta um meio gasoso em um volume na faixa de 0,01 a 1,9 Sm^ 3^ de meio gasoso por 1 m^ 3^ de mistura na mistura contendo água, óleo e gás.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SEPARADORPOR GRAVIDADE, E UM MÉTODO PARA SEPARAÇÃO DE UMA MIS-TURA CONTENDO ÁGUA, ÓLEO E GÁS".
A presente invenção refere-se a um separador por gravidade,primariamente do tipo no qual uma mistura fluindo a partir de um poço deóleo, contendo água, óleo e gás, é separada em camadas discretas verti-calmente espaçadas de água, óleo e gás em um vaso separador para sub-seqüente extração a partir do vaso por meio de uma saída de água, umasaída de óleo e uma saída de gás, respectivamente.
Os separadores por gravidade têm sido conhecidos por muitasdécadas e têm sido usados na indústria de óleo em várias modalidades, dasquais algumas são bastante complexas, incluindo vários misturadores estáti-cos e ciclones. Os exemplos de tipos conhecidos de separadores por gravi-dade podem ser encontrados, por exemplo, na GB 1327991 e no WO99/25454. A Patente U.S. N9 5.080.802 descreve um separador por flotaçãode ar que tem um edutor para aspiração de gás para o fluido entrando. Oedutor recircula o gás coletado na seção mais superior do vaso para o fluidoentrando. O separador é provido com um tubo ascendente coalescedor posi-cionado substancialmente em alinhamento com o eixo geométrico do vaso e,de modo a se obterem altas massas de gás coalescentes ótimas, uma rela-ção de gás para água tal como de cerca de 30% é usada. Um outro separa-dor por flotação de gás é conhecido a partir da Patente U.S. No 5.516.434, eeste separador também é provido com um tubo ascendente coalescedorcom um meio de filtro. Um separador adicional para remoção de óleo disper-so de uma emulsão de óleo em água é mostrado na EP 0 793 987, onde ogás é dissolvido na água que flui para dentro para formar uma solução aera-da. Esta solução é introduzida no vaso separador em um conjunto de placasde matriz espaçadas proximamente formadas de um material oleofílico. Ouso de tubos ascendentes coalescedores com filtros ou de placas de matrizcomplica o separador e envolve o risco de entupimento, com uma perda decapacidade resultante. Estes projetos da técnica anterior também requeremum alto grau de manutenção.Um objetivo da presente invenção é prover um separador porgravidade que funcione efetivamente e com uma construção relativamentesimples e um consumo de gás baixo adequado.
Assim, a invenção refere-se a um separador por gravidade quecompreende um vaso dentro do qual uma mistura contendo água, óleo e gáspode se separar por gravidade para a formação de camadas verticalmentediscretas de óleo e água e uma fase de gás, o vaso tendo um duto de entra-da em comunicação com uma entrada de vaso para a mistura contendo á-gua, óleo e gás; uma saída para água; uma saída para óleo; e uma saídapara gás, onde o duto de entrada do separador por gravidade compreendeum meio injetor injetando um meio gasoso em um volume na faixa de 0,01 a1,9 Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura na mistura contendo água, óleoe gás.
Inesperadamente foi descoberto que a injeção no duto de entra-da de um volume tão pequeno como esse de meio gasoso na mistura con-tendo água, óleo e gás é plenamente satisfatória para a obtenção dá fase deágua limpa desejada por uma separação por gravidade no vaso. E pelo usode um volume tão pequeno como esse de meio de gás, nem tubos ascen-dentes coalescedores com filtros nem placas de matriz precisam ser provi-dos no separador. O separador assim obtém um projeto simples de alta con-fiabilidade, capacidade continuamente alta e baixos custos de manutenção.O teor de impurezas na fase de água deixando o separador pode ser tãobaixo quanto 40 ppm.
Em uma modalidade preferida, um conduto suprindo um meiogasoso para o meio injetor recircula um gás a partir do separador por gravi-dade para o meio injetor. A recirculação de gás reduz qualquer consumo demeio gasoso a partir de uma fonte externa.
O conduto para recirculação pode coletar gás a partir de um dis-positivo de processamento de gás a jusante da saída do meio gasoso a par-tir do separador. Contudo, em uma modalidade preferida, devido a sua sim-plicidade, o conduto suprindo meio gasoso para o meio injetor é conectadoao interior do separador por gravidade na parte superior do mesmo.Em uma modalidade adicional, o conduto suprindo o gás recircu-Iado para o meio injetor é o único suprimento de gás de injeção para o meioinjetor. Isto provê várias vantagens. O meio gasoso injetado através do meioinjetor é automaticamente retirado do volume de gás separado da mistura novaso, de modo que o separador se torne independente de um suprimentoexterno de meio gasoso. Em relação a separadores usados em instalaçõesde produção de óleo / gás em alto-mar, esta evitação de um suprimento ex-terno de gás é altamente vantajosa. À parte da evitação de custos de manu-tenção e da provisão de um suprimento de gás externo, também é poupadoespaço, porque tanques de armazenamento, tubulação, etc. para um supri-mento de gás externo podem ser descartados.
De acordo com uma modalidade adequada do separador porgravidade, o meio injetor do duto de entrada é espaçado da entrada do vasocom um espaçamento na faixa de 0,05 a 2,00 m. Esta separação do meioinjetor e da entrada torna possível obter uma mistura muito boa do meio ga-soso com a mistura contendo água, óleo e gás.
De modo a se melhorar adicionalmente a mistura, o separadorpor gravidade pode ser provido com um misturador, preferencialmente ummisturador estático, no duto de entrada entre o meio injetor e a entrada devaso.
Em uma modalidade do separador por gravidade, adequadaquando apenas um espaço pequeno está disponível, o duto de entrada seestende a partir de cima para baixo através do vaso para a entrada de vaso,onde a mistura flui para fora em direção ao vaso. Além disso, o misturadorpode estar localizado em uma seção do duto de entrada se estendendo novaso, de modo que um projeto muito compacto seja obtido.
A presente invenção também refere-se a um método para a se-paração de uma mistura contendo água, óleo e gás, cujo método compreen-de as etapas de: condução da mistura a ser separada através de um duto deentrada e uma entrada de vaso em um vaso, permitindo a mistura no vasopara separação por gravidade em uma fase de água, uma fase de óleo euma fase de gás; retirada da fase de água através de uma saída para água,4retirada da fase de óleo através de uma saída para óleo e retirada da fasede gás através de uma saída para gás; onde um volume de meio gasoso nafaixa de 0,01 a 1,9 Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura é injetado namistura fluindo através do duto de entrada para entrada do vaso.
Este volume limitado de meio gasoso injetado provou sustentar oprocesso de separação por gravidade no vaso e reduzir os custos para su-primentos de gás, sem prejudicar a capacidade do separador. A água retira-da do vaso opcionalmente ainda pode ser limpa antes de ser retornada parao reservatório. O óleo e o gás opcionalmente podem ser adicionalmente pro-cessados, antes de serem remetidos para fora.
Em relação à presente invenção, a dimensão Sm3 é usada comoa unidade volumétrica de um meio gasoso injetado em relação ao volume demistura. Sm3 significa metros cúbicos padronizados do meio gasoso. Sm3 épadronizado no campo de alto-mar (volume de gás seco a 15,6 2C e umapressão de 101,325 kPa).
E possível nos limites da presente invenção injetar na faixa de0,04 a 1,6 Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura, que é injetado na mistu-ra no duto de entrada, mas, preferencialmente, o volume de meio gasosoinjetado na mistura no duto de entrada está limitado a um volume da faixa de0,05 a 0,40 Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura. Este volume pode serretirado do separador e ser recirculado para injeção na mistura no duto deentrada, sem qualquer suprimento externo de meio gasoso. A mistura fluindopara o separador no lado a montante do meio injetor tem um teor suficientede gás para a provisão ao separador do volume necessário de meio gasoso.Devido ao volume injetado de meio gasoso e à quantidade natural de fasegasosa na mistura, o fluxo de mistura entre o meio injetor e a entrada para ovaso obviamente tem uma quantidade aumentada de fase gasosa. Em ummétodo preferido, um volume de 0,05 a 0,15 Sm3 de meio gasoso por 1 m3de mistura é injetado na mistura no duto de entrada, e no método mais pre-ferido de 0,08 a 1,2 Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura é injetado namistura no duto de entrada.
Embora a pressão no vaso possa variar e estar em uma faixaampla durante uma operação de cerca de 10,13 kPa (0,1 atm) e mais, nor-malmente é preferido que a pressão no vaso esteja na faixa de 50,66 kPa a20,265 MPa (0,5 a 200 atm), convenientemente na faixa de 0,101 a 10,133MPa (1 a 100 atm). Um ajuste da pressão para um valor ótimo pode melho-rar a formação da fase gasosa e a separação do gás da água e do óleo.
Para melhoria adicional do processo de separação, a misturacontendo água, óleo e gás em uma modalidade é submetida a uma injeçãocom um ou mais auxiliares de separação. Esses auxiliares de separaçãonormalmente estão na forma líquida e incluem floculantes, emulsificantes,etc.
Em uma modalidade preferida do método de acordo com a in-venção, o meio gasoso é recirculado, opcionalmente após uma reextraçãoda fase gasosa. Se gás natural do poço de óleo for usado como o meio ga-soso, normalmente não será necessário reextrai-lo, já que parte do gás natu-ral coletado pode ser retirada e usada como o meio gasoso a ser injetado namistura contendo água, óleo e gás. A modalidade provê um método efetivoem termos de custos com uma perda mínima de recursos.
Os exemplos de modalidades da presente invenção são descri-tos em detalhes adicionais a seguir com referência aos desenhos altamenteesquemáticos, nos quais:
a figura 1 ilustra uma primeira modalidade de um separador porgravidade de acordo com a presente invenção,
a figura 2 ilustra um sistema de bocal adequado para uso no se-parador por gravidade na figura 1;
a figura 3 ilustra uma modalidade alternativa de um separador deacordo com a presente invenção.
Uma referência é feita à figura 1, em que um separador por gra-vidade 1 é mostrado com um vaso 2 com um duto de entrada 3 que tem umaentrada de vaso 4 localizada no vaso 2. O fluxo de entrada de mistura defluido através da entrada 4 se espalha livremente no vaso, onde a gravidadeatua sobre os constituintes na mistura. O vaso 2 é adicionalmente equipadocom uma saída para água 5, uma saída para óleo 6 e uma saída para gás 7.Dentro do vaso 2, uma placa de vertedouro 8 é provida, que serve para se-paração da fase de água 9 da fase de óleo 10. A fase de gás 11 é coletadana localização no espaço acima da fase de água 9 e da fase de óleo 10.
No duto de entrada 3 do vaso 2 é montado um meio injetor 12 naforma de um dispositivo de bocal para injeção de gás. O dispositivo de bocalé alimentado com um meio gasoso através da linha 13. Desta maneira, omeio gasoso é injetado na mistura contendo água, óleo e gás no duto deentrada 3, antes da mistura entrar no vaso 2 através da entrada de vaso 4.
O vaso preferencialmente é um vaso substancialmente cilíndricohorizontal 2 fechado em ambas as extremidades, preferencialmente comfechamentos curvados ou convexos. O vaso 2 e um equipamento afixadopodem ser feitos a partir de ligas metálicas adequadas, preferencialmenteaços inoxidáveis. O vaso 2 preferencialmente é montado por soldagem.
A mistura contendo água, óleo e gás tem uma aparência líquida,a qual pode ser mais ou menos viscosa, dependendo da relação entre águae óleo. O gás normalmente dispersa na mistura como bolhas mínimas. Amistura contendo água, óleo e gás pode conter, constituintes adicionais, porexemplo, impurezas de um poço de óleo. A mistura também pode contersólidos. Os sólidos possíveis na mistura normalmente deixarão o separadorcom a fase de água.
Em uma modalidade, o meio injetor é de um ou mais bocais. Obocal pode ser qualquer bocal adequado para a injeção de um meio gasosona mistura contendo água, óleo e gás. Convenientemente, o bocal é capazde operar a pressões na faixa de 0,507 a 25,331 MPa (5 a 250 atm).
Embora o separador por gravidade possa ter qualquer formatodesejado, o vaso preferencialmente tem um volume interno na faixa de 1 a200 m3, tal como de 3 a 100 m3, de modo a otimizar a relação de entrada /saída.
Em uma modalidade, o separador por gravidade compreendemeios para a separação da fase de água da fase de óleo. Os meios sãoprincipalmente meios físicos, como placas de vertedouro e similares, asquais podem estar localizadas na parte de fundo do vaso impedindo acessoda fase de água a uma certa zona no vaso, mas permitindo que o óleo fluapara aquela zona, e, opcionalmente, a saída para óleo é colocada nesta zona.
A porção interna do vaso 2 também pode ser equipada com umou mais defletores e/ou palhetas de guia para a obtenção de um fluxo dese-jado ou uma corrente no vaso, o que pode melhorar a capacidade de sepa-ração do separador por gravidade.
O separador por gravidade pode compreender meios adicionaispara a injeção de auxiliares de separação. Os auxiliares de separação sãoprincipalmente na forma líquida, por exemplo, floculantes, emulsificantés,etc. A injeção desses auxiliares de separação pode melhorar adicionalmentea separação por gravidade. Os auxiliares de separação podem ser injetadosno duto de entrada ou no vaso ou em ambos.
O meio gasoso pode ser qualquer gás adequado para facilitar aseparação de água, óleo e gás na mistura. Contudo, em um exemplo de a-cordo com a invenção, o meio gasoso é selecionado a partir de nitrogênio,hidrogênio, gás natural, dióxido de carbono e misturas dos mesmos. O gásnatural é normalmente o gás que pode ser extraído de um poço de óleo.
Quando gás natural é escolhido como a parte de meio gasoso mais preferí-vel, o gás natural extraído a partir do poço pode ser reciclado como o meiogasoso. Desta maneira, o meio gasoso pode ser obtido de uma maneirasimples e efetiva em termos de custos.
Após o meio gasoso ter sido injetado na mistura, ele pode serreextraído mais tarde, principalmente a partir da fase de gás, e/ou recircula-do para o sistema de separação.
De acordo com a presente invenção, o meio injetor para gás po-de ser instalado nos dutos de entrada de tanques de separação por gravida-de existentes, desse modo se modificando e melhorando a capacidade dostanques de separação existentes. Assim, o benefício da presente invençãopode ser aplicado em um separador por gravidade já instalado e em uso, porexemplo, em uma planta de produção de óleo, a qual pode estar localizadana costa ou em alto-mar.O meio injetor pode ser de um ou mais bocais adequados, osquais podem ser convenientemente dispostos em um dispositivo de formatoanular.
As figuras 2a e 2b mostram um dispositivo de bocal 20 adequa-do para uso na invenção. O dispositivo de bocal consiste substancialmenteem um flange de formato anular 21. A superfície periférica interna 22 dofIange 21 é equipada com vários orifícios 23 (nesta modalidade descrita, oitoorifícios 23). Os orifícios 23 se comunicam com um canal 24 dentro do flange21 (o canal 24 é mostrado com linhas pontilhadas na figura 2b). O canal 24ainda se comunica com uma linha de suprimento 25 para o meio gasoso, aqual é presa à superfície periférica externa 26 do flange 21. O dispositivo debocal 20 é capaz de prover uma boa mistura da mistura e do meio gasosono duto de entrada 3 (figura 1).
A figura 3 descreve uma modalidade alternativa do separadorpor gravidade de acordo com a invenção. Como na modalidade do separa-dor por gravidade mostrada na figura 1, o separador por gravidade alternati-vo 31 compreende um vaso 32. O separador 31 também é equipado com umduto de entrada 33 em comunicação com o interior do vaso 32 através deuma entrada de vaso 34, uma saída para água 35, uma saída para óleo 36 euma saída para gás 37. Um dispositivo de bocal 38 está localizado no dutode entrada 33 e é alimentado com gás através de uma tubulação 39 a partirdo interior do vaso 32. No duto de entrada 33, após o dispositivo de bocal 38e nas vizinhanças da entrada de vaso 34, um misturador estático é dispostopara garantir uma boa mistura da mistura entrando no vaso 32 através daentrada de vaso 34. Nesta modalidade, o meio gasoso é tomado diretamentea partir do gás separado no vaso 32 e um suprimento extra do meio gasosopode ser evitado.
Conforme mencionado, os desenhos são apenas esquemáticose, por razões de simplicidade, meios como bombas, válvulas, sensores de pressão, vasos de coleta para óleo e gás, etc. não foram ilustrados. O sepa-rador por gravidade e o método de acordo com a presente invenção podemser modificados no escopo das reivindicações de patente em apenso. Osdetalhes das várias combinações podem ser combinados em novas modali-dades no escopo das reivindicações de patente. Por exemplo, é possívelprover um separador individual com duas ou mais saídas para óleo e/ou comduas ou mais saídas para água e/ou com duas ou mais saídas para o meio gasoso e/ou com dois ou mais dutos de entrada ou aberturas de entrada.Uma ou mais das saídas podem ser providas com uma válvula. O meio inje-tor na entrada pode ser combinado com uma bomba no conduto para retira-da de gás da porção superior do vaso. Uma modalidade como essas, contu-do, é menos favorável, porque é mais complicada e não um sistema automá- tico de auto-regulagem, o qual é independente dos suprimentos de lado ex-terno e não tem partes móveis.

Claims (15)

1. Separador por gravidade, que compreende um vaso dentro doqual uma mistura contendo água, óleo e gás pode se separar por gravidadepara a formação de camadas verticalmente discretas de óleo e água e umafase de gás, o vaso tendo um duto de entrada em comunicação com umaentrada de vaso para a mistura contendo água, óleo e gás; uma saída paraágua; uma saída para óleo; e uma saída para gás, onde o duto de entradado separador por gravidade compreende um meio injetor que injeta um meiogasoso em um volume na faixa de 0,01 a 1,9 Sm3 de meio gasoso por 1 m3de mistura na mistura contendo água, óleo e gás.
2. Separador por gravidade de acordo com a reivindicação 1, emque um conduto suprindo meio gasoso para o meio injetor recircula o gás apartir do separador por gravidade para o meio injetor.
3. Separador por gravidade de acordo com a reivindicação 2, emque o conduto suprindo meio gasoso para o meio injetor é conectado ao in-terior do separador por gravidade na parte superior do mesmo.
4. Separador por gravidade de acordo com a reivindicação 2 ou 3, em que o conduto suprindo o gás recirculado para o meio injetor é o únicosuprimento de gás de injeção para o meio injetor.
5. Separador por gravidade de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 4, em que o meio injetor no duto de entrada é espaçadoda entrada de vaso com um espaçamento na faixa de 0,05 a 2,00 m.
6. Separador por gravidade de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 5, em que o misturador, preferencialmente um misturadorestático, está localizado no duto de entrada entre o meio injetor e a entradade vaso.
7. Separador por gravidade de acordo com qualquer uma dasreivindicações 1 a 6, em que o duto de entrada se estende a partir de cimapara baixo através do vaso para a entrada de vaso.
8. Separador por gravidade de acordo com as reivindicações 6 e 7, em que o misturador está localizado em uma seção do duto de entradaque se estende no vaso.
9. Método para separação de uma mistura contendo água, óleoe gás, que compreende as etapas de:condução da mistura através de um duto de entrada e uma en-trada de vaso para um vaso,permitir que a mistura no vaso se separe em uma fase de água,uma fase de óleo e uma fase de gás por gravidade;retirada da fase de água através de uma saída para água, retira-da da fase de óleo através de uma saída para óleo e retirada do gás atravésde uma saída para gás;em que um volume de meio gasoso na faixa de 0,01 a 1,9 Sm3de meio gasoso por 1 m3 de mistura é injetado na mistura no duto de entra-da.
10. Método de acordo com a reivindicação 9, em que 0,04 a 1,6Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura é injetado na mistura no duto deentrada.
11. Método de acordo com a reivindicação 9 ou 10, em que 0,05a 0,40 Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura é injetado na mistura no du-to de entrada.
12. Método de acordo com a reivindicação 9 ou 10, em que de-0,05 a 0,15 Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura é injetado na misturano duto de entrada.
13. Método de acordo com a reivindicação 9 ou 10, em que 0,08a 0,12 Sm3 de meio gasoso por 1 m3 de mistura é injetado na mistura no du-to de entrada.
14. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a-13, em que a mistura contendo água, óleo e gás é submetida a uma injeçãocom um ou mais auxiliares de separação.
15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a-14, em que o meio gasoso é um gás coletado a partir do vaso e injetado noduto de entrada.
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