BRPI0617858A2 - tanque separador para separação de fluidos compreendendo água, petróleo e gás, uso desse tanque e método para separação de um fluido que inclui água, petróleo e gás - Google Patents

Abstract

<B>TANQUE SEPARADOR PARA SEPARAçãO DE FLUIDOS COMPREENDENDO áGUA, PETRóLEO E GáS, USO DESSE TANQUE E MéTODO PARA SEPARAçãO DE UM FLUIDO QUE INCLUI áGUA, PETRóLEO E GáS.<D> A presente invenção refere-se a um tanque separador (1) compreendendo um tanque vertical essencialmente cilíndrico, uma entrada tangencialmente disposta (3) em uma parte superior (9) do tanque, ao menos uma primeira saída (4) para petróleo e para gás na parte superior do tanque, e ao menos uma segunda saida (5) para água em uma parte inferior do tanque. Uma zona de vórtice (7) compreende uma parede frustocónica protuberante descendente (8) com uma abertura (11) na extremidade inferior de modo a permitir uma comunicação entre a parte superior e a parte inferior do tanque. Uma palheta em espiral helicoidal fica disposta sobre a parte voltada para cima da dita parede frustocónica.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TANQUESEPARADOR PARA SEPARAÇÃO DE FLUIDOS COMPREENDENDOÁGUA, PETRÓLEO E GÁS, USO DESSE TANQUE E MÉTODO PARASEPARAÇÃO DE UM FLUIDO QUE INCLUI ÁGUA, PETRÓLEO E GÁS".

A presente invenção refere-se a um tanque separador para se-paração de um fluido compreendendo água, petróleo e gás.

Na indústria petrolífera, a produção de petróleo bruto envolveuma mistura de petróleo, gás e água a partir de reservatórios subterrâneos.Na cabeça do poço geralmente ocorre uma separação inicial em uma oumais etapas para remover a água e gás adicionais antes de o petróleo brutoestar pronto para ser descarregado para exportação.

Após a separação inicial, o petróleo bruto e o gás podem, ainda,ser purificados antes da descarga para refino, etc. Após a purificação adicio-nal, a água e a areia são, geralmente de forma opcional, descarregadas emum recipiente adequado, tal como, no mar ou em um reservatório.

Quando se desenvolve os campos de petróleo e de gás verifica-se, geralmente, que o volume de água que acompanha o petróleo e o gás setorna muito maior e, conseqüentemente, os volumes maiores de água pro-duzidos devem ser tratados no meio de produção de cabeça do poço paramanter uma taxa de produção aceitável.

Ademais, há uma preocupação geral quanto à poluição causadapela produção de petróleo no mar, particularmente quando a produção depetróleo ocorre nas áreas que são consideradas ambientalmente frágeis, taiscomo, áreas árticas ou áreas de pesca. Na indústria de petróleo há um re-ceio que a demanda por um limite de saída significativamente inferior de pe-tróleo poderia tornar a produção de petróleo de inúmeros reservatórios co-nhecidos dispendiosa se estes contarem com o equipamento usado agora.Desta maneira, foram feitos grandes esforços por parte da indústria e de au-toridades com a finalidade de encontrar maneiras para reduzir a saída depetróleo durante a produção de petróleo a preços acessíveis.

Nas plataformas de produção de petróleo e de gás projetadaspara operação marítima há geralmente um espaço limitado disponível. Por-tanto, há restrições muito estritas em relação ao espaço disponível para ainstalação do equipamento. Uma restrição ainda mais estrita em relação aoespaço pode ser encontrada se o estabelecimento de produção e de sepa-ração no nível do leito do mar for considerado.

Na técnica anterior, inúmeros separadores de petróleo-gás-águasão conhecidos. No documento U.S. 4.424.068 descreve-se um separador eum método para separação de uma mistura de petróleo, gás e água que po-de ser recebida a partir de um poço de petróleo. O separador está sob aforma de um recipiente dividido em câmaras de separação e dotado de inú- meros defletores e um separador dinâmico onde a mistura de entrada alteraa direção diversas vezes. Apesar do fato de o separador ser conhecido hámuitos anos, não parece que o mesmo têm sido amplamente usado. Ade-mais, visto que o separador compreende diversas câmaras e muitas partes,a manutenção será demorada podendo resultar em uma parada dispendiosa da produção de petróleo.

O documento WO 99/20873 descreve um coletor de areia quepode ser colocado em um poço de petróleo para remover as partículas maispesadas, tal como, areia antes do processamento adicional do petróleo bru-to. O dispositivo possui uma boca que fica voltada para uma parte relativa- mente estreita do tanque com uma conexão espacial que fica voltada parauma parte relativamente ampliada do tanque onde a área e as partículasmais pesadas se precipitam.

O documento GB 2000054 A descreve um separador onde opetróleo bruto é separado em líquido e um gás em um recipiente que possui uma entrada de alimentação disposta de forma tangencial de modo que umahélice de fluxo descendente e uma hélice de fluxo ascendente de gás sejamformadas. O recipiente possui uma saída superior de gás compreendendoum tubo que se estende para baixo no recipiente a partir da parte superiordo mesmo. A extremidade inferior do recipiente, que é cônica, é dotada de defletores que servem para reduzir a velocidade da hélice de líquido e abriruma câmara de desengate para o gás ainda presente no líquido; sendo queo gás é expelido no líquido que é descarregado sobre uma barreira.Apesar do número de separadores de petróleo-gás-água, aindahá a necessidade por um separador de petróleo-gás-água com capacidadede separação de fase aperfeiçoada que requer apenas um mínimo de espa-ço, que pode ser continuamente operado com um baixo requisito de manu-tenção e que pode ser fabricado e operado em preço moderado.

Um objetivo da presente invenção é proporcionar um separadorcom alta capacidade comparada ao volume.

Conseqüentemente, a presente invenção refere-se a um tanqueseparador que compreende um tanque vertical essencialmente cilíndrico,uma entrada tangencialmente disposta em uma parte superior do tanque,pelo menos uma primeira saída na parte superior do tanque, pelo menosuma segunda saída na parte inferior do tanque, e meios para acalmar o fluxoem torno da segunda saída, e uma zona de vórtice situada abaixo da entra-da tangencialmente disposta e acima da segunda saída, onde a dita zona devórtice compreende uma parede frustocônica que se projeta para baixo divi-dindo o tanque na dita parte superior e na dita parte inferior, e tendo umaabertura na extremidade inferior da dita parede frustocônica que se projetapara baixo para permitir a comunicação entre a parte superior e a parte infe-rior do tanque, e uma palheta em espiral helicoidal disposta e presa à partevoltada para cima da dita parede frustocônica. De preferência, a primeirasaída é para petróleo e gás e a segunda saída é para água.

O tanque separador de acordo com a invenção fornece um se-parador altamente eficaz para fluidos que compreendem água, petróleo egás. O único projeto da zona de vórtice que compreende a parede frustocô-nica com uma palheta espiralada helicoidal que cooperada com a entradatangencialmente disposta promove a formação de um fluxo de vórtice notanque separador, que fornece uma excelente separação do petróleo e dafase de gás a partir da fase aquosa. A fase oleosa e gasosa se elevará maisrápido e de forma mais seletiva até a parte superior do tanque e a fase a-quosa se elevará de forma similar, fluirá mais rápido e mais seletivamente nadireção da parte inferior do tanque.

A primeira saída na parte superior do tanque pode ser dispostade modo a ter um efeito ejetor. Esse efeito ejetor é alcançado através deacúmulo de pressão por gás na parte superior do tanque. Em particular,quando a saída para petróleo e gás se estende a uma distância (por exem-plo, a uma distância na faixa de 5 a 30 cm) ao longo do tanque até uma a-bertura de saída, gás a partir da mistura que compreende água, petróleo egás pode se acumular no espaço na parte superior do tanque definida pelotopo do tanque e pela localização da abertura de saída até a primeira saída.Em tal disposição, um acúmulo de pressão ocorrerá através do acúmulo degás até que o gás tenha deslocado a parte líquida da mistura no tanque atéum nível logo abaixo da abertura de saída da primeira saída. Nesse ponto, ogás e o petróleo serão ejetados através da primeira saída e deixarão o tan-que. O nível da mistura líquida se elevará acima da abertura até a primeirasaída, e ocorrerá um novo acúmulo de pressão. Desta forma, o petróleo seráautomaticamente tirado da superfície superior da água no tanque. Depen-dendo da localização da abertura de saída até a primeira saída, o acúmulo erefugo de pressão ocorrerá em menos de um segundo.

Por propósitos de aperfeiçoamento do fluxo no separador, é pre-ferível que o ângulo entre a parede do tanque vertical e a parede frustocôni-ca protuberante esteja na faixa entre 15 e 45 graus, com mais preferência,entre 25 e 35 graus, com a máxima preferência, 30 graus. A utilização des-ses ângulos preferenciais torna possível fornecer um fluxo muito eficaz paraseparação de fase no tanque separador, já que o formato do vórtice podeser otimizado.

De acordo com a presente invenção, é preferencial que o tanqueseparador compreenda, ainda, meios para injeção de gás. O gás pode serinjetado no fluido no tanque através de um ou mais bocais proporcionadosna parte superior e/ou na parte inferior do tanque. O gás injetado forma pe-quenas bolhas, que facilitam a separação da fase oleoso/gasosa da faseaquosa através da formação de um fluxo ascendente de bolhas de gás.

Em uma modalidade preferencial alternativa do tanque separa-dor, os meios para injeção de gás são proporcionados na entrada tangenci-almente disposta, por onde o gás é injetado no fluido de entrada no tanque.Subseqüentemente, o gás forma pequenas bolhas no fluido promovendo aseparação. O gás usado para injeção de gás pode ser qualquer gás ade-quado para formação de bolhas no fluido, por exemplo, CO2, nitrogênio ougás à base de hidrocarbonetos, de preferência, o gás consiste em gás reci-ciado a partir de uma separação de água/petróleo/gás. A quantidade de gásadicionada se encontra, tipicamente, na faixa de 0,02 a 0,2 St.m3 por 1 m3 defluido. Os valores na faixa de 0,05 a 0,18 St.m3 por 1 m3 de fluido são prefe-renciais, porém, valores maiores para a quantidade de gás adicionada tam-bém podem ser usados, como a quantidade de até 0,3 St.m3 por 1 m3 defluido. St.m3 é metro cúbico padrão do meio gasoso. St.m3 é padronizado nocampo em alto-mar (volume de gás seco a 15,69C e uma pressão de101,325 kPa).

A utilização de gás proveniente de uma fonte externa tem diver-sas desvantagens. O suprimento de gás deve ser mantido, e o gás é, de cer-ta forma, consumido de tal modo que os novos suprimentos de gás devamser obtidos em intervalos. E os sistemas no lado a jusante do tanque sepa-rador devem manipular o fluxo adicional causado pelo gás adicionado.

Em uma modalidade preferencial, a fonte de gás para fins deinjeção de gás consiste em uma zona de gás na parte superior do tanqueseparador. Conseqüentemente, o gás separado fora do fluido de entrada éusado como uma fonte de gás a ser adicionada no fluido de entrada, obten-do-se assim economias nos suprimentos de gás externo. Em uma modalida-de ainda mais preferencial, a zona de gás na parte superior do tanque sepa-rador é a única fonte de gás para fins de injeção de gás. Isto torna possíveldispensar completamente com a instalação de suprimentos externos paragás, e, desse modo, o sistema de tanque separador tem um desenho maissimples.

Em uma outra modalidade, um conduto da zona de gás na partesuperior do tanque é conectado a um edutor na entrada do mesmo tanque.O edutor apresenta a vantagem de não ter partes móveis e, desse modo,uma alta confiabilidade. A confiabilidade do tanque separador como tal éconseqüentemente aperfeiçoada em comparação a uma modalidade queutiliza um suprimento externo de gás, também devido ao fluido, como águaproduzida, automaticamente fornece o suprimento de gás.

Ainda em outra modalidade, o conduto da zona de gás na partesuperior do tanque se encontra na conexão de fluxo direto aberto junto aoedutor na entrada do mesmo tanque, durante a operação do tanque. Conse-qüentemente, não há uma bomba do dito conduto. Pode-se proporcionar umindicador de fluxo no conduto, porém, este não evita a conexão de fluxo dire-to aberto. Os meios para injeção de gás incorporados desta forma são com-pletamente auto-suficientes e automaticamente operados em uma confiabili-dade bastante alta.

Em uma modalidade preferencial do tanque separador de acordocom a invenção, a palheta em espiral helicoidal tem ao menos duas voltascompletas de 360 graus para garantir uma formação de vórtice satisfatória,aperfeiçoando assim a separação.

Além disso, por propósitos de aperfeiçoamento da capacidadede separação, a palheta em espiral helicoidal tem, de preferência, uma lar-gura na faixa de 5 a 15 cm.

Com a finalidade de se obter a melhor separação possível notanque separador, prefere-se que o tanque tenha ao menos uma terceirasaída para petróleo e para gás, essa terceira saída fica, de preferência, situ-ada na parede do tanque abaixo da protuberância da parede frustocônicaprotuberante, sendo que a protuberância fica no local onde a parede frusto-cônica entra em contato com a parede do tanque. Neste local, a parede frus-tocônica apresenta seu maior diâmetro, e é fixada à parede do tanque, porexemplo, por soldagem. O petróleo e o gás podem ser removidos na partesuperior do tanque através da primeira saída e, também, na parte inferior dotanque através da terceira saída, levando a uma separação bastante eficaz.A terceira saída para petróleo e para gás fica, de preferência, situada logoabaixo da extremidade superior da parede frustocônica protuberante, que éo local mais alto na parte inferior do tanque em que o fluido a ser separadopor alcançar. Em uma modalidade preferencial, a terceira saída é conectadaà parte superior do tanque. Nesta modalidade, o petróleo e o gás separadosda água na parte inferior do tanque são, então, levados à parte superior dotanque e deixam o tanque através de uma primeira saída para petróleo epara gás na parte superior do tanque.

Com a finalidade de aperfeiçoar a separação na parte inferior dotanque separador é desejável estabelecer um segundo fluxo de vórtice naparte inferior do tanque. Conseqüentemente, o tanque é equipado com mei-os para fornecer um fluxo de vórtice ascendente na parte inferior do tanque,de tal forma que o fluxo de vórtice ascendente circunde, de preferência, aparte de parede voltada para baixo da parede frustocônica protuberante. Osegundo fluxo de vórtice na parte inferior do tanque fornece uma separaçãoeficaz de possíveis resíduos de petróleo e de gás deixados na fase aquosasubseqüente à etapa de separação na parte superior do tanque. O petróleoe o gás opcionalmente separados da fase aquosa na parte inferior do tanquepodem ser removidos através da terceira saída para petróleo e para gás an-teriormente descrita. A fase aquosa deixa o tanque através da segunda saí-da situada na parte inferior do tanque. A fase aquosa pode compreendermateriais sólidos e particulados no fluido a ser separado. Esses materiaissólidos e particulados deixam normalmente o tanque separador junto à faseaquosa. No entanto, em uma modalidade opcional, o tanque separador éequipado com uma saída separada para sólidos. Essa modalidade opcionalpode ser vantajosa quando o fluido compreende grandes quantidades demateriais sólidos e particulados.

Muito embora os meios para fornecer um fluxo de vórtice ascen-dente possam compreender uma ampla gama de meios para direcionar umfluido em uma determinada direção, prefere-se que os meios sejam ao me-nos um defletor ou uma palheta-guia.

Em um outro aspecto, a invenção se refere, também, a um mé-todo para separação de um fluido compreendendo água, petróleo e gás, talmétodo compreende as etapas de:

a) alimentar o fluido contendo água, petróleo e gás a ser tratadoem uma entrada tangencialmente disposta de um primeiro tanque separadordo tipo supramencionado; induzindo assim a vazão de fluido em uma a parteinferior do tanque através de uma parede frustocônica protuberante descen-dente com uma palheta em espiral helicoidal;

b) retirar um fluxo de petróleo e de gás de ao menos uma primei-ra saída do primeiro tanque, e submeter o dito fluxo de petróleo e de gás auma outra separação em um segundo tanque de separação do tipo supra-mencionado de modo a obter um fluxo de petróleo através de ao menos umasegunda saída do segundo tanque e um primeiro fluxo de gás através de aomenos uma primeira saída do segundo tanque;

c) retirar um primeiro fluxo de água de ao menos uma segundasaída do primeiro tanque, e alimentar o dito fluxo de água através de umaentrada tangencialmente disposta até um terceiro tanque do tipo supramen-cionado, induzindo assim a vazão de fluidos em uma parte inferior do tanqueatravés de uma parede frustocônica protuberante descendente junto a umapalheta em espiral helicoidal; e

d) retirar um fluxo de água purificada através de ao menos umasegunda saída do terceiro tanque. O fluxo de água purificada contém menosde 20 ppm de impurezas, e pode conter menos de 15 ppm de impurezas, ouaté menos de 10 ppm de impurezas.

O método torna possível separar o fluxo de água purificada deoutros constituintes do fluido compreendendo água, petróleo e gás, e, sedesejado, separar o fluido em todos esses constituintes, isto é, em uma faseaquosa, uma fase oleosa e em uma fase de gás. Além disso, as fases sepa-radas têm um alto grau de pureza. A fase oleosa e a fase de gás podem serdescarregadas para uso ou para tratamento posterior, e o fluxo de fase a-quosa purificada pode ser devolvido ao meio ambiente, por exemplo, ao marou ao reservatório. A fase aquosa pode compreender um determinado mate-rial sólido tipo areia e outras partículas, que, se desejado, pode ser facilmen-te removido com o auxílio de um filtro ou por precipitação.

O método de acordo com a presente invenção é vantajoso emdiversos aspectos. Os tanques separadores utilizados no método têm partesmóveis, e eles são altamente robustos para processar fluidos, como um po-ço de fluidos, de variadas composições. E o método é eficaz na limpeza daágua, também quando o fluido contém uma grande proporção de água. Con-seqüentemente, o método é bem apropriado para prolongar a vida útil doscampos de petróleo e de gás desenvolvidos, onde o teor de água é alto navazão de fluidos a partir da cabeça do poço, tipicamente porque a água foiinjetada no reservatório durante anos enquanto o petróleo foi sendo produzi-do.

Em uma modalidade preferencial do método, o fluido ou o líquidono primeiro tanque e/ou no segundo tanque e/ou no terceiro tanque é sub-metido à injeção de gás. Portanto, a invenção de gás pode ser aplicada ape-nas em um dos tanques de separação, em dois tanques de separação, ouem todos os tanques de separação. A injeção de gás pode, portanto, seraplicada em qualquer forma desejada a fim de facilitar a separação.

De preferência, a injeção de gás é realizada na entrada ao tan-que e, com mais preferência, os meios para injeção de gás ficam situados notubo de entrada nas adjacências próximas à entrada. O bocal para injeçãopode, neste caso, ter um formato do tipo anel. O gás a ser injetado consiste,opcionalmente, em gás reciclado proveniente do processo de separação. Ogás injetado facilita o processo de flotação que separa a água do gás. Jáque os melhores resultados são alcançados quando o gás é disperso no flui-do sob a forma de pequenas bolhas, prefere-se que o gás seja injetado nofluido no duto de entrada através de um dispositivo de bocal situado apenasa uma curta distância da abertura de entrada de modo a evitar que as pe-quenas bolhas se unam para formar grandes bolhas de gás que não apre-sentam a mesma eficiência.

Em um outro aspecto, a invenção se refere, também, ao uso deum tanque separador que compreende um tanque vertical essencialmentecilíndrico, uma entrada tangencialmente disposta, ao menos uma primeiraentrada para petróleo e gás na parte superior do tanque, ao menos uma se-gunda saída para água na parte inferior do tanque, meios para estabelecerum fluxo calmo em torno da segunda saída e uma zona de vórtice situadaabaixo da entrada tangencialmente disposta e acima da segunda saída, on-de a dita zona de vórtice compreende uma parede frustocônica protuberantedescendente dividindo o tanque em uma parte superior e em uma parte infe-rior com uma abertura na extremidade inferior da dita parede frustocônicaprotuberante descendente de modo a permitir a comunicação entre a partesuperior e a inferior do tanque, e uma palheta em espiral helicoidal dispostae presa à parte voltada para cima da dita parede frustocônica, para separa-ção de um fluido compreendendo água, petróleo e gás, de preferência, nes-ses constituintes.

O tanque ou tanques separadores podem, por exemplo, ser u-sados no fluido a partir do fluxo principal proveniente da cabeça do poço, ouem um fluxo parcial desviado ou separado do fluxo principal, ou em uma e-tapa de limpeza intermediária de um fluxo de água contendo menores quan-tidades de petróleo e gás, ou, por exemplo, ser usados em uma etapa delimpeza final desse fluxo de água, ou o tanque separador pode ser usado emum fluxo parcial desta, e, possivelmente, em um fluxo parcial de outro sepa-rador. Em qualquer caso, a água, o petróleo e o gás se originam a partir deuma cabeça do poço e se encontram no presente contexto considerado flui-dos de poço independente de onde no local de produção o separador é re-almente usado para separar uma vazão de fluidos.

O uso de dois ou mais tanques separadores pode ser preferívelpara se obter uma melhor separação de fase. Os dois ou mais tanques se-paradores podem ser usados em série, ou podem ser usados em paralelo.Uma outra possibilidade consiste em usar os tanques separadores tanto emsérie como em paralelo. Com os tanques separadores devem ser conecta-dos depende da situação. Em qualquer caso, isso será um problema que umindivíduo versado na técnica pode lidar como um problema de rotina.

Em uma modalidade preferencial, um ou mais tanques separa-dores de acordo com a invenção são usados para separação de fluido depoço originado a partir de uma cabeça do poço na produção de petróleo e degás. O fluido de poço alimentado aos tanques separadores é, tipicamente,um fluido de refugo rico em água separado do fluxo do poço distribuído pelacabeça do poço. Essa separação inicial em uma fase oleosa/rica em gás euma fase rica em água pode ocorrer em uma ou mais etapas de separação.O uso inclui, também, uma modalidade em que o fluido é inicial-mente separado em uma fase oleosa/gasosa e em uma fase aquosa.

O uso inclui, ainda, uma modalidade em que a fase oleo-sa/gasosa é separada em uma fase oleosa e em uma fase gasosa em umaetapa de separação adicional.

A seguir, serão descritos, em mais detalhes, exemplos ilustrati-vos e não-limitantes de modalidades da invenção com referência aos dese-nhos altamente esquemáticos, em que:

A Figura 1 representa esquematicamente uma vista lateral deuma modalidade de um tanque separador de acordo com a presente inven-ção,

A Figura 2 representa uma vista superior em corte do tanqueseparador na Figura 1,

A Figura 3 representa uma vista semelhante à vista da Figura 1de outra modalidade do tanque separador de acordo com a presente inven-ção,

A Figura 4 representa uma outra modalidade de acordo com apresente invenção,

A Figura 5 representa uma disposição onde os três tanques se-paradores de acordo com a invenção são usados para separação de umfluido compreendendo petróleo, gás e água,

A Figura 6 representa uma disposição em que os tanques sepa-radores de acordo com a invenção são usados em série, e

A Figura 7 representa uma disposição em que os tanques sepa-radores de acordo com a invenção são usados em paralelo.

A Figura 1 representa uma modalidade de um tanque separadorgenericamente projetado 1 e compreendendo um tanque vertical cilíndrico 2,uma entrada tangencialmente disposta 3 para fluidos, como um fluido depoço ou outra mistura compreendendo água, petróleo, e gás. A entrada 3 seestende até uma abertura de entrada na parede do tanque. O tanque sepa-rador compreende, ainda, uma primeira saída 4, tipicamente para petróleo egás, em uma parte superior 9 do tanque, e uma segunda saída 5, tipicamen-te para água, em uma parte inferior 10 do tanque.

Uma zona de vórtice 7 fica situada abaixo da entrada tangenci-almente disposta 3 e acima da segunda saída 5. A zona de vórtice 7 com-preende uma parede frustocônica protuberante descendente 8 dividindo o5 tanque na parte superior 9 e na parte inferior 10. Uma abertura 11 é propor-cionada na extremidade inferior da parede frustocônica protuberante des-cendente 8 a fim de permitir uma comunicação fluida entre a parte superior 9e a parte inferior 10 do tanque 1. Uma palheta em espiral helicoidal 12 é dis-posta e presa à parte voltada para cima da dita parede frustocônica 8.

A parede frustocônica protuberante descendente 8 tem seu mai-or diâmetro na extremidade superior e seu menor diâmetro na borda da a-bertura 11 na extremidade inferior. O maior diâmetro na extremidade superi-or da parede 8 corresponde ao diâmetro interno da parede lateral circularcilíndrica do tanque, e nesse maior diâmetro, a parede 8 é montada à paredelateral do tanque, por exemplo, por uma união de solda ou por outros meiosde montagem, como um fIange fixado por pinos à parede do tanque.

Os meios para acalmar um fluxo em torno da segunda saída po-de ser um defletor 6 proporcionado de modo a acalmar os movimentos dolíquido nas adjacências da segunda saída de tal modo que possa ser esta-belecido um fluxo mais calmo em torno da segunda saída 5. O defletor 6 po-de, por exemplo, ser fixado à parede do tanque através do uso de uma oumais barras planas que se estendem para baixo em relação à parte inferiorcurva como pernas, ou fixado por dois ou mais enrijecedores (suportes) quese estendem até a porção vertical da parede do tanque, fixada por um únicosuporte vertical que se estende para cima a partir da área da porção de tuboque forma a segunda saída 5. Os meios para acalmar um fluxo em torno dasegunda saída (para água ou petróleo) podem ser incorporados como umdisco com uma circunferência circular, opcionalmente, colocada horizontal-mente logo acima da segunda saída. Como uma alternativa, os meios paraacalmar o fluxo em torno da segunda saída podem ter um formato cônico ouum formato hemisférico.

A saída para água 5 pode ser equipada com meios de válvula(ilustrados na Figura 3). Ajustando-se esses meios de válvula, o acúmulo depressão por gás liberado a partir da mistura no tanque 1 pode ser ajustado.O gás liberado a partir da mistura é coletado na parte superior do tanque 9.Quanto mais gás for coletado, maior a pressão se torna. À medida que apressão do gás aumenta, o gás desloca a mistura líquida no tanque 1.Quando o gás coletado desloca a mistura líquida até um nível abaixo da a-bertura de saída 4 para gás e petróleo, o gás e o petróleo são ejetados parafora do tanque através da saída 4 devido à pressão do gás.

O tanque separador 1 é um tanque separador de fluido de poço,e a mistura líquida pode se originar a partir de uma vazão de fluidos da ca-beça do poço ou pode se originar a partir de um fluxo ramificado dessa va-zão de fluidos, ou a partir de um fluxo separado a partir de qualquer um dosfluxos.

A Figura 2 representa o tanque separador 1 em uma vista emcorte ao longo da linha pontilhada AA na Figura 1. Utilizando-se as mesmasreferências numéricas da Figura 1, pode-se observar a entrada tangencial-mente disposta 3, a parede frustocônica protuberante descendente 8, a pa-Iheta em espiral helicoidal 12 e a abertura 11.

Na Figura 3, descreve-se uma outra modalidade do tanque se-parador 1. Essa modalidade do tanque separador 1 compreende todos osrecursos do tanque descritos na Figura 1 (indicada pelas mesmas referên-cias numéricas) e é equipada, ainda, com uma placa-guia 13" e de uma ou-tra saída 14 para petróleo e para gás. A placa-guia 13" pode, por exemplo,ser uma placa circular com um diâmetro maior que a abertura 11 e montadaà lateral inferior da parede frustocônica 8 através de algumas hastes de sus-pensão verticais 13 ou suportes. A placa-guia 13" se estende através da a -bertura 11 a uma distância em relação à abertura de tal modo que o fluidoque flui para baixo e para fora através da abertura 11 se impacte contra aplaca-guia 13" e flui para fora na direção radial através do espaço anular en-tre a placa-guia 13" e a borda da abertura 11. A área de borda 13' da placa-guia 13" pode se estender obliquamente para cima e para fora de tal modoque a vazão de fluidos seja direcionada para cima. A placa-guia 13 fica dis-posta de modo a proporcionar um fluxo de vórtice na parte inferior do tanque10 do fluido proveniente da parte superior 9 do tanque na parte inferior 10 afim de proporcionar uma outra separação em que uma fase oleosa e gasosaseparada de uma fase aquosa possa ser retirada do tanque 1 através deuma outra saída 14.

A outra saída 14 pode levar o petróleo e o gás a uma saída derefugo semelhante a que fica conectada à primeira saída 4. Alternativamen-te, a outra saída pode ser conectada à entrada 3 através de uma válvula an-ti-retorno e a um edutor montado no conduto da entrada 3, porém, de prefe-rência, um conduto 100 conecta a outra saída 14 à parte superior 9 do tan-que através de uma outra abertura de entrada na parede do tanque. Umavantagem dessa modalidade consiste na simplicidade de seu desenho, por-que apenas um pequeno conduto 100 é necessário para distribuir petróleo egás a partir da parte inferior do tanque até a parte superior do tanque.

O gás pode ser injetado no fluido que flui através da entrada 3.Em uma modalidade (não ilustrada), o gás, como nitrogênio ou gás combus-tível, é suprido na entrada 3 a partir de uma fonte externa. Em uma modali-dade preferencial ilustrada na Figura 4, o gás é retirado de uma zona de gás101 na parte superior 9 do tanque separador. O gás flui a partir da zona degás 101 através do conduto 102 e em um edutor 103 montado na entrada 3ao tanque 1. O edutor é incorporado como uma parte do conduto com umpequeno comprimento e uma área em seção transversal menor que as par-tes adjacentes ao conduto que formam a entrada 3. Devido à área reduzida,a velocidade é maior na vazão de fluidos através do edutor do que nas par-tes adjacentes da entrada, e como resultado, a pressão do fluido no edutor érelativamente baixa de tal modo que o gás seja sugado do conduto 102 nofluido que flui através do edutor.

O conduto 102 é dotado de um indicador de fluxo 104 ou sensorde fluxo, o que não evita que o edutor se encontre em uma conexão de fluxodireta aberta com a zona de gás 101 quando o tanque separador estiver emoperação. A zona de gás 101 se comunica, também, com uma linha de saí-da de gás 105 dotada de um compressor 106 com a finalidade de aumentara pressão no gás de saída. Na modalidade ilustrada na Figura 4, os meiospara injeção de gás na entrada do tanque separador são completamenteauto-suficientes e automaticamente operados.

A modalidade da Figura 4 tem uma vantagem adicional de que osistema de gás se encontra em equilíbrio de fluxo no sentido que o gás ex-cedente retirado através da linha de saída de gás 105 corresponde à dife-rença entre o gás suprido pelo influxo de fluidos através da entrada 3 e dogás que sai através da saída 4. O fluxo de gás no tanque é maior, e, de pre-ferência, muito maior, como, por exemplo, ao menos 50% maior ou 100%maior, que o fluxo de gás agregado para fora da primeira saída 4 e da linhade saída de gás 105.

Em outra modalidade, a injeção de gás é realizada na entradado tanque, e os meios para injeção de gás ficam situados no tubo de entradanas adjacências próximas à entrada. O bocal para injeção pode, neste caso,ser do tipo com formato de anel.

O tanque separador de acordo com a invenção é geralmenteoperado a uma pressão determinada principalmente pela pressão que o flui-do deixa a cabeça do poço, no entanto, a pressão também pode ser aumen-tada ou reduzida antes de entrar no tanque separador através do uso deprocedimentos conhecidos. O tanque separador pode ser operado a umapressão correspondente à pressão atmosférica ou maior.

As dimensões do separador podem ser selecionadas de acordocom as quantidades de fluido que são destinadas a serem tratadas. Durantea operação descobriu-se que o tempo de residência no tanque por um fluidoa ser tratado deve ser de cerca de 20 segundos ou maior, de preferência, otempo de residência se encontra na faixa de 20 a 300 segundos, com maispreferência, de 25 a 240 segundos.

Para o tanque de separação de acordo com a invenção, pode-secalcular um volume eficaz de separação como o volume do espaço delimita-do pelo tanque 1 e o nível do líquido no tanque. Com base no tempo de resi-dência, a capacidade do tanque pode ser calculada, por exemplo, um tanquecom um volume eficaz de separação de 1 m3 e um tempo de residência parao líquido de cerca de 30 segundos tem uma capacidade de tratar cerca de100 m3 de fluido por hora.

A razão entre o nível e o diâmetro do tanque pode ser selecio-nada dentro de amplos limites, de preferência, na faixa de 1:1 a 4:1, commais preferência, 1:1 a 2:1. Uma das capacidades de um indivíduo versadona técnica consiste em selecionar os materiais usados para a construção dotanque com base nas condições reais do uso destinado, como as quantida-des de líquido a serem tratadas, a composição do dito líquido, a pressão se-lecionada, a temperatura do líquido e a presença de produtos químicos pos-sivelmente corrosivos em qualquer uma das fases da mistura.

Durante a operação, a taxa de que as fases separadas são ex-traídas através de saídas respectivas determina onde as fases intermediá-rias entre as fases gasosa e oleosa, oleosa e aquosa e aquosa e sólida es-tão situadas no tanque. O versado na técnica avaliará como ajustar a taxade extração através de saídas respectivas de tal modo que uma separaçãoótima seja alcançada.

Devido à forma como o tanque separador de acordo com a in-venção é construído com todas as superfícies verticais ou com uma inclina-ção íngrime, exceto pela palheta-guia, pelo transgressor de vórtice e por ne-nhuma passagem estreita no tanque não há lugar no separador que sejasusceptível à obstrução ou à deposição de materiais sólidos. Portanto, a se-paração inicial do fluido na cabeça do poço pode ser realizada de modo es-sencial e contínuo sem, ou apenas com uma mínima necessidade por, ma-nutenção do tanque separador.

Pode-se realizar facilmente uma outra manutenção, quando fornecessário apesar de ser raro, devido ao desenho planejado do poço dotanque separador.

Portanto, a separação do fluido na cabeça do poço ou no fluxodo poço de acordo com a invenção apresenta um vigor extraordinário, isto é,pode ser executada durante longos períodos de tempo sem interrupções, eas poucas interrupções que podem ser necessárias para fins de manutençãopodem ser feitas brevemente.A alta capacidade combinada com as mínimas necessidades porespaço e a robustez do tanque de separação de acordo com a invenção otorna particularmente adequado para uso em instalações em alto-mar, comoplataformas de produção de petróleo e gás. Além disso, é bem adequadopara uso na produção de petróleo e gás localizada no leito do oceano, por-que nessa localização, as limitações de espaço podem ser ainda mais estri-tas que as limitações das plataformas tradicionais de produção de petróleo egás, e a capacidade por manutenção pode ser reduzida. O tanque separadoré altamente útil na produção de petróleo e de gás tanto em terra firme comoem alto-mar.

Agora, a invenção será ilustrada por exemplos, que não devemser considerados como limitadores da invenção.Exemplos

1. Uso de três tanques separadores de acordo com a invenção como sepa-radores para uma separação em três fases.

Com referência à Figura 5, o uso de tanques separadores paraseparação de um fluxo de poço compreendendo petróleo, gás e água é es-quematicamente descrito.

O uso inclui três tanques separadores 1, 1' e 1" de acordo com ainvenção. A primeira saída 4 do tanque 1 é para petróleo e para gás e ficaconectada à entrada 3' no tanque 1'. Da mesma forma, a segunda saída 5do tanque 1 é para água (com pequenas quantidades de petróleo e gás) efica conectada à entrada 3" no tanque 1".

O fluido do poço separado da cabeça do poço é levado ao tan-que 1 através da entrada 3. No tanque 1, o fluido é separado em uma fasegasosa e oleosa e em uma fase aquosa. A fase gasosa e oleosa é retiradado tanque 1 através da primeira saída 4 e levada ao tanque 1' através daentrada 3'. A fase aquosa (com pequenas quantidades de petróleo e gás) éretirada do tanque 1 através da segunda saída 5 e levada ao tanque 1" atra-vés da entrada 2".

No tanque 1', a fase gasosa e oleosa é separada em gás, que aleva ao tanque 1' através da primeira saída 4', e em petróleo, que a leva aotanque 1' através da segunda saída 5'.

No tanque 1", a fase aquosa é separada em petróleo/gás. O pe-tróleo/gás a leva ao tanque 1" através da primeira saída 4" e a água a levaao tanque 1" através da saída 5".

Com a finalidade de aprimorar a separação no tanque 1" maisgás pode ser injetado no fluxo de entrada a partir da segunda saída 5. O gáspara injeção pode ser uma parte do gás recuperado na primeira saída 4',conforme indicado pela linha pontilhada 114.

Os dois tanques 1 e 1" são dotados de um conduto 102 que co-nectam a zona de gás no tanque a um edutor na entrada 3 e na entrada 3",respectivamente. Opcionalmente, o tanque 1' pode ser dotado, também, deum conduto 102. Através da disposição descrita, um fluido proveniente deuma cabeça do poço compreendendo petróleo, gás e água é separado deforma bastante eficaz em uma fase oleosa, em uma fase gasosa e em umafase aquosa, onde o fluxo de água purificada que deixa o tanque 1" atravésda linha 5" contém menos de 10 ppm de impurezas.

2. Uso de três tanques separadores de acordo com a invenção como sepa-rado res em série.

A Figura 6 descreve esquematicamente os três tanques 1, 1' e1" conectados em série para separação de um fluxo do poço 204 provenien-te de uma cabeça do poço em uma fase oleosa/gasosa 205 e em uma faseaquosa 206. O fluxo do poço 204 pode, por exemplo, ser água compreen-dendo 1000 ppm de impurezas (gás/petróleo). Subseqüente ao tratamentono tanque 1, o fluxo de água na linha 207 a partir da segunda saída 5 com-preende 100 ppm de impurezas. O fluxo 207 é levado à entrada 3' para tra-tamento no tanque 11 e o fluxo de água 208 a partir da segunda saída 5' dotanque 1' compreende 10 ppm de impurezas. O fluxo 208 é finalmente ali-mentado à entrada 3" para tratamento no tanque 1", proporcionando assimum fluxo de água 206 a partir da segunda saída 5" com menos de 5 ppm deimpurezas.

Os tanques 1, 1' e 1" são dotados de um conduto 102 que co-necta a zona de gás no tanque a um edutor na entrada 3, na entrada 3" e naentrada 3", respectivamente.

Essa disposição pode, opcionalmente, ser usada para um trata-mento adicional do fluxo de água a partir da segunda saída 55" do tanque 1"na disposição do tanque ilustrada na Figura 5 (Exemplo 1). A fase oleo-sa/gasosa pode ser separada em petróleo e gás através do tratamento emum outro tanque conforme descrito no Exemplo 1. Opcionalmente, a faseoleosa/gasosa pode ser separada em dois ou mais tanques em série.

3. Uso de tanques separadores de acordo com a invenção como separado-res em paralelo.

A Figura 7 descreve esquematicamente uma disposição em quedois tanques 1 e 1' são usados em paralelo. O fluido do poço provenientedos fluxos em parte da cabeça do poço 303 e 304 entra nos tanques 1 e 1'em entradas 3, 3. Uma fase oleosa/gasosa é retirada em 305 e uma faseaquosa é retirada em 306. A fase oleosa/gasosa e a fase aquosa podem sertratadas, ainda, conforme descrito nos Exemplos 1 e 2.

Os tanques 1 e 1' são dotados de um conduto 102 que conecta azona de gás no tanque a um edutor na entrada 3 e na entrada 3', respectivamente.

Voltando-se, agora, à descrição mais geral, fica claro que as Fi-guras 1 a 7 são meramente esquemáticas e as disposições podem compre-ender, ainda, equipamentos normalmente usados na produção de petróleo ede gás, por exemplo, válvulas, bombas, compressores, outras tubulações,que são excluídos por fins de simplicidade. No entanto, a disposição descritaacima pode facilmente ser adaptada para um uso específico por um indivi-duo versado na técnica.

Além disso, fica evidente que os tanques separadores de acordocom a invenção podem ser usados em combinação em qualquer disposiçãodesejada, por exemplo, em série e/ou em paralelo. Os tanques separadoresde fluido do poço e o método e o uso de acordo com a presente invençãopodem ser modificados dentro do escopo das reivindicações em anexo. Osdetalhes das diversas modalidades podem ser combinados em novas moda-lidades dentro do escopo das reivindicações em anexo. Por exemplo, é pos-sível proporcionar um tanque individual com duas ou mais primeiras saídase/ou com duas ou mais segundas saídas e/ou com duas ou mais entradas. Aprimeira saída pode ser dotada de uma válvula, e tanto a primeira saída co-mo a segunda saída podem ser dotadas de uma válvula. A primeira saídae/ou a segunda saída podem ser montadas em outros locais que não sejamcoaxiais com a linha central vertical do tanque, como paralelos à dita linhacentral, porém, a uma distância da linha central. O edutor usado na entradapode ser substituído por outro dispositivo de mistura que serve para misturargás e fluido, ou por um dispositivo de mistura na entrada em combinaçãocom uma bomba no conduto 102 para extrair o gás da zona de gás. No en-tanto, essa modalidade é menos favorável pelo fato de ser mais complicadae não ser semelhante à modalidade da Figura 4, um sistema auto-reguladore automático que é independente de suprimentos externos e não tem partesmóveis. O sistema ilustrado na Figura 4 que serve para retirar gás de umazona de gás 101 na parte superior 9 do tanque separador e alimentar o gásna entrada do mesmo tanque pode ser usado junto aos tanques separadoresde outros desenhos diferentes do desenho ilustrado nas Figuras 1 a 3 e rei-vindicado na reivindicação 1.

Claims (19)

1. Tanque separador compreendendo um tanque vertical essen-cialmente cilíndrico, uma entrada tangencialmente disposta em uma partesuperior do tanque, ao menos uma primeira saída, de preferência, para pe-tróleo e para gás, na parte superior do tanque, ao menos uma segunda saí-da, de preferência, para água, em uma parte inferior do tanque, meios paraestabelecer um fluxo calmo em torno da segunda saída, e uma zona de vór-tice situada abaixo da entrada tangencialmente disposta e acima da saídapara água, onde a dita zona de vórtice compreende uma parede frustocônicaprotuberante descendente que divide o tanque na dita parte superior e nadita parte inferior e é dotado de uma abertura na extremidade inferior da ditaparede frustocônica protuberante descendente de modo a permitir a comuni-cação entre a parte superior e a parte inferior do tanque, e uma palheta emespiral helicoidal disposta e presa à parte voltada para cima da dita paredefrustocônica.

2. Tanque separador, de acordo com a reivindicação 1, em queo ângulo entre a parede do tanque vertical e a parede frustocônica protube-rante se encontra na faixa entre 15 e 45 graus, com mais preferência, entre-25 e 35 graus e, com a máxima preferência, 30 graus.

3. Tanque separador, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, emque o tanque separador compreende, ainda, meios para injeção de gás.

4. Tanque separador, de acordo com a reivindicação 3, em queos meios para injeção de gás são proporcionados na entrada tangencialmen-te disposta.

5. Tanque separador, de acordo com a reivindicação 3 ou 4, emque uma fonte de gás para os meios de injeção de gás é uma zona de gásna parte superior do tanque separador.

6. Tanque separador, de acordo com a reivindicação 5, em quea zona de gás na parte superior do tanque separador é a única fonte de gáspara os meios de injeção de gás.

7. Tanque separador, de acordo com a reivindicação 5 ou 6, emque um conduto a partir da zona de gás na parte superior do tanque é co-nectado a um edutor na entrada ao mesmo tanque.

8. Tanque separador, de acordo com a reivindicação 7, em queo conduto da zona de gás na parte superior do tanque se encontra na cone-xão de fluxo direto aberto junto ao edutor na entrada do mesmo tanque, du-rante a operação do tanque.

9. Tanque separador, de acordo com qualquer uma das reivindi-cações 1 a 8, em que a palheta em espiral helicoidal tem ao menos duasvoltas de 360 graus.

10. Tanque separador, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações 1 a 9, em que a palheta em espiral helicoidal tem uma largura nafaixa de 5 cm a 15 cm.

11. Tanque separador, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações anteriores, em que o tanque tem ao menos uma terceira saída parapetróleo e para gás situada na parede do tanque abaixo da protuberância daparede frustocônica protuberante, e, de preferência, a terceira saída é co-nectada à parte superior do tanque.

12. Tanque separador, de acordo com qualquer uma das reivin-dicações anteriores, em que o tanque compreende meios para proporcionarum fluxo de vórtice ascendente na parte inferior do tanque, sendo que o ditofluxo de vórtice ascendente circunda, de preferência, a parte de parede vol-tada para baixo da parede frustocônica protuberante.

13. Tanque separador, de acordo com a reivindicação 12, emque os ditos meios para proporcionar um fluxo de vórtice ascendente com-preendem ao menos um defletor.

14. Método para separação de um fluido incluindo água, petróleoe gás que compreende as etapas de:a) alimentar o fluido contendo água, petróleo e gás a ser tratadoem uma entrada tangencialmente disposta de um primeiro tanque separador,como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13; induzindo assima vazão de fluido em uma parte inferior do tanque através de uma paredefrustocônica protuberante descendente com uma palheta em espiral helicoi-dal;b) retirar um fluxo de petróleo e de gás de ao menos uma primei-ra saída do primeiro tanque, e submeter o dito fluxo de petróleo e de gás auma outra separação em um segundo tanque de separação, como definidoem qualquer uma das reivindicações 1 a 13, de modo a obter um fluxo depetróleo através de ao menos uma segunda saída do segundo tanque e umprimeiro fluxo de gás através de ao menos uma primeira saída do segundotanque;c) retirar um primeiro fluxo de água de ao menos uma segundasaída de água do primeiro tanque, e alimentar o dito fluxo de água atravésde uma entrada tangencialmente disposta até um terceiro tanque, como de-finido em qualquer uma das reivindicações 1 a 13, induzindo assim a vazãode fluidos em uma parte inferior do tanque através de uma parede frustocô-nica protuberante descendente junto a uma palheta em espiral helicoidal; ed) retirar um fluxo de água purificada através de ao menos umasegunda saída do terceiro tanque.

15. Método, de acordo com a reivindicação 14, em que o líquidono primeiro tanque e/ou no segundo tanque e/ou no terceiro tanque é sub-metido à injeção de gás.

16. Método, de acordo com a reivindicação 15, em que a injeçãode gás é realizada na entrada ao tanque a montante da abertura de entradaao tanque.

17. Uso de um tanque separador, como definido em qualqueruma das reivindicações 1 a 13, que serve para separar um fluido compreen-dendo água, petróleo e gás, de preferência, nesses constituintes.

18. Uso, de acordo com a reivindicação 17, em que dois ou maistanques separadores são usados em série ou em paralelo.

19. Uso de um tanque separador, de acordo com qualquer umadas reivindicações 17 e 18, que serve para separar o fluido de poço que seorigina a partir de uma cabeça do poço na produção de petróleo e de gás.