DE1095229B

DE1095229B - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Druckenergie von Erdoellagerstaetten

Info

Publication number: DE1095229B
Application number: DESCH25818A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Richard Schiel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1959-04-02
Filing date: 1959-04-02
Publication date: 1960-12-22
Also published as: FR1253573A; NL250048A; US3161593A; GB893919A

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Druckenergie von Erdöllagerstätten, wobei es mit Hilfe dieses Verfahrens möglich ist, die Druckenergie in weitgehendem Ausmaß nutzbar zui machen. Die Erdöllagerstätten enthalten bekanntlich ein Gemisch aus Rohöl und darin zumindestens teilweise gelöstem Gas, sowie in geringem Maße Salzwasser und Verunreinigungen, wie suspendierten Ton und Sand. Dieses Gemisch befindet sich in seiner Lagerstätte unter einem verhältnismäßig hohen Druck und besitzt auch eine Temperatur, die meist bedeutend höher liegt als die der Erdoberfläche. Bei der Förderung des Rohöls wird ein Teil dieser Schichtenergie; zwar nutzbar gemacht, um das Rohöl in das Bohrloch hinein! zu drücken und in diesem hochzuheben, die überschüssige Energie wird dann aber durch Drosselung, Rohrreibung und Abkühlung des Rohöls größtenteils vergeudet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, das Rohöl gleichzeitig mit der Energieverwertung auch weitest- ao gehend in seine Komponenten zu zerlegen, nämlich in Reinöl, Gas, Salzwasser und Festbestandteile, ein Vorgang, der auch bisher durchgeführt wird, wozu aber bisweilen recht kostspielige Vorrichtungen verwendet werden müssen, wie z. B. Desemulsionierungsanlagen.

Es ist z. B. üblich, bei Fließsonden oder Gasliftsonden in die Eruptionsköpfe! Düsen einzubauen, das Rohöl-Gas-Gemisch in diesen Düsen zu entspannen und dann einem Separator zuzuführen, der unter geringerem Druck das Gas aus dem öl ausscheidet und auch einen Teil des Wassers, sowie andere Verunreinigungen ausfällt. Diese Separatoren sind meist stehende, zuweilen auch liegende zylindrische Druckgefäße von z. B. Im Durchmesser und 6 m Länge. Derartige Separatoren sind jedoch verhältnismäßig groß, da Wasser, Sand und andere Verunreinigungen aus dem öl nur ausfallen, wenn dieses verhältnismäßig beruhigt ist. Dieses große Volumen bewirkt jedoch, daß die Separatoren, die ja Druckgefäße sein müssen, entsprechende Kosten bedingen.

Man hat darum immer wieder versucht, das Rohöl in die bekannten Separatoren tangential einzuführen, um so durch Fliehkraft eine bessere Reinigung zu erzielen. Die Praxis hat aber gezeigt, daß solche Verbesserungen nur unbedeutend sind. Das tangential eingeführte öl strömt nämlich viel zu langsam, um einen merklichen Effekt zu ergeben. Die Reibung an der Separatorwand wird allerdings so groß sein, daß eine hohe Drehgeschwindigkeit mit der entsprechenden Fliehkraftwirkung kaum zu erreichen ist. Des weiteren wurde auch schon versucht, das öl durch von außen angetriebene Zentrifugen zu reinigen. Diese Methode ist aber nur dann verwendbar, wenn das öl Verfahren und Vorrichtung

zur Nutzbarmachung der Druckenergie

von Erdöllagerstätten

Anmelder:

Dipl.-Ing. Richard Schiel,
Stuttgart-Lederberg, Im Rosenbusch 1

Dipl.-Ing. Richard Schiel, StuttgaFt-Lederberg,
ist als Erfinder genannt worden

in einem Separator vor der Zentrifuge sein Gas bereits abgegeben hat und auch die groben mechanischen Verunreinigungen bereits ausgefallen sind. Denn die bekannten Zentrifugen bieten für eine Gasabscheidung keinen Raum mehr. Der hohe Kraftaufwand für den Antrieb von außen läßt auch die Verwendung solcher Zentrifugen in der erforderlichen Anzahl, daß nämlich jede Förderbohrung eine Zentrifuge erhält, wirtschaftlich gar nicht zu. Wenn das öl gemeinsam mit viel Gas in den Separator einläuft, so ist die völlige Abtrennung der öltropfen aus dem Gas schwierig. Es müssen dazu in dem bekannten Separator eine ganze Reihe von Parallelplatten oder gelochte Rohre eingebaut werden, was dessen Gewicht und Preise erhöht. Ist die Gasmenge groß, so kann ein völlig reines farbloses Gas in einem einzigen Separator überhaupt nicht erzielt werden und man muß dann mehrere in Reihe schalten.

Die Salzwasserbeimengungen des Rohöls, die für dessen Weiterverarbeitung schädlich sind, werden in den bekannten Separatoren nur recht unvollkommen ausgeschieden. Werden sie hoch aufgeheizt, was aber sehr kostspielig ist, so fällt zwar mitgeführtes Salzwasser als solches aus dem öl aus und kann unten aus dem Separator abgezogen werden, hingegen scheidet sich das bereits mit dem Rohöl· fein emulgierte Salzwasser nicht ab. Diese Emulsion verbleibt vielmehr im Rohöl und deren Zerlegung erfordert dann eine kostspielige Nachbehandlung des Öls. Selbst die festen Beimengungen des Rohöls scheiden sich im bekannten

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Separator wegen der kurzen zur Verfugung stehenden Zeit nur teilweise aus, besonders die feineren Tonteilchen verbleiben zum Teil im öl suspendiert und verunreinigen später die Öltanks, Leitungen usw.

Die im Öl-Gas-Gemisch im Eruptionskopf noch vorhandene erhebliche Druckenergie wird üblicherweise in der Düse hinter dem Eruptionskopf durch Entspannung des Gemisches ungenutzt vernichtet, was bei Förderbohrungen mit einem hohen Druck und einem hohen Gas-Öl-Verhältnis eine außerordentliche Energievergeudung bedeutet. Diese Energie muß dann, weil das öl Druck benötigt, um in die Ölleitungen zu fließen, wieder neu aufgebracht werden, wodurch sich hohe Aufwendungen für Pumpen, Kraftstrom oder ■ Kraftdampf ergeben.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, vor die üblichen Separatoren noch sogenannte Hochdruckseparatoren zuzuschalten. In diesen wird ein Teil des Gasgemenges unter einem höheren Druck abgeschieden als der, der im Eruptionskopf herrscht. Man kann ao dadurch wohl Druckenergie des Gases sparen, doch werden auch diese Separatoren durch die angeführten Faktoren entsprechend beeinflußt. Die Aufwendungen für solche zusätzlichen Hochdruckseparatoren sind jedoch relativ hoch und stehen kaum mehr in einem tragbaren Verhältnis zum erzielten Effekt. Aus diesem Grund trifft man Hochdruckseparatoren nur mehr vereinzelt in den ölfeldern an, wogegen die meisten Förderbohrungen mit Niederdruckseparatoren ausgestattet sind.

Darüber hinaus wird die Arbeitsweise der Hochdruckseparatoren auch noch dadurch ungünstig beeinflußt, daß das abgeschiedene Hochdruckgas zwar einer Gasturbine zugeführt werden kann, jedoch die dafür cufzuwendenden Investitionen bedeutend sind und der Betrieb wegen der Unbeständigkeit der produzierten Gasmenge und des Drucks derart kompliziert wird, daß man von der Verbindung solcher speziellen Gasturbinen absehen mußte. Die Druckenergie des Gases aus dem Hochdruckseparator läßt sich daher praktisch nur nutzbar machen, um einem unmittelbar nachgeschalteten Kompressor das Gas mit einem möglichst hohen Druck zuzuführen und dadurch z. B. die erste Kompressorstufe zu sparen. Solche Kompressoranlagen stehen aber nur selten in der Nähe der Bohrungen zur Verfügung und lassen sich außerdem nur schwer auf den Gasdruck der jeweiligen Bohrung abstimmen. Bei der Verwendung von Hochdruckseparatoren kann aber gerade die Hochdruckenergie des Öls nicht ausgenützt werden, wobei diese aber recht bedeutend ist, weil das öl unter Druck sowohl größere Gasmengen als auch den größten Teil der suspendierten Feststoffe in Lösung hält. Eine nachgeschaltete Flüssigkeitsturbine würde deshalb schnell durch die Erosion der Flüssigkeitströpfchen im Gasstrom und durch den mitgeführten Sand unbrauchbar werden.

Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren und Vorrichtung zur Nutzbarmachung der Druckenergie von Erdöllagerstätten, in denen Gas in öl teilweise gelöst ist, zum Zweck der Abscheidung des Gases gegebenenfalls auch Salzwassers, Tones u. dgl. aus dem öl, sowie zur Druckerhöhung des Öls und ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in einer lavalartigen Düse annähernd isotherm entspannt wird und durch den dabei entstehenden Öl/Gas- bzw. Öl/Gas/Wasser-Strahl eine drehbare Separatortrommel von innen in bekannter Weise annähernd tangential beaufschlagt wird, wobei nach Trennung der Bestandteile voneinander durch die Fliehkraft das öl gesondert von Wasser, Ton u. dgl. aus der rotierenden Trommel durch Geschwindigkeit in Druck umwandelnde Diffusoren abgeleitet werden, während das Gas durch eine zusätzliche Öffnung die Trommel verläßt.

Der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angewendete Separator besteht aus einer in einem druckdichten Gehäuse eingebauten kegelstumpfförmigen Trommel, die auf zentrischen Lagern, welche sich auf einer feststehenden, vorzugsweise hohlen Welle aufstützen, angeordnet ist, wobei mindestens bei einem Lager ein elastisches Zwischenglied vorgesehen ist.

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird der Gegenstand der Erfindung dargestellt und näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem teilweisen Längsschnitt den erfindungsgemäßen Separator. Die kegelstumpf förmige Trommel 40 befindet sich in einem druckdichten Gehäuse 1, 3, 3a, das auf Füße2 aufgestützt ist. Die Trommel 40 ruht auf zentrischen Lagern 14, 15, die sich auf einer feststehenden, vorzugsweise hohlen Welle 5 aufstützen, wobei mindestens bei einem Lager 15 ein elastisches Zwischenglied 16 vorgesehen ist. Die zur Gemischzufuhr vorgesehene hohle Welle 5 geht in tangentiale Entspannungsdüsen 6 über, die in entsprechend geformten Aussparungen radialer Mitnehmerbleche 18, 19, 20 einmünden, welche mit der Trommel 9, 13 fest verbunden sind. Oberhalb und unterhalb der Entspannungsdüse 6 sind zwei mit der Trommel 40 verbundene horizontale, annähernd^: _;ajs Scheiben gleicher Festigkeit ausgebildete Trennwände 10, 12 vorgesehen, die den Entspannungsraum abgrenzen und nahe der Trommelwand Öffnungen 42 für den Ablauf der Gemischkomponenten aufweisen. Die zur Abfuhr der ölkomponenten dienende Düse 8 besitzt tangentialen Einlauf und ist stetig in radialer Richtung übergehend sich diffusionsartig erweiternd in einem Arm untergebracht, der etwa das Profil eines Tragflügels besitzt und sich in die Senkrechte umbiegend allmählich in die obere zentrische Hohlwelle 7 übergeht. Die Düsen 23 für die Entnahme der Wasser-, Ton- u. dgl. Komponenten sind in ihrer Längsrichtung durch eine Stopfbüchse hindurch' axial verschiebbar ausgebildet. In der Wandung des unteren Teils 9 der Trommel sind mehrere achsparallele öffnungen 41 für den Gasaustritt angeordnet, die näher der Achse liegen als der Austritt der Entspannungsdüse 6. Die Entspannungsdüse 6 wiederum ist am Eintrittsrohr 5 und die ölentnahmedüse 8 am Austrittsrohr 7 aufgeschraubt und durch eine Überwurfmutter mit gegenläufigem Gewinde gesichert. Das Auslaufrohr 24 für das Gas kann ein Drosselventil tragen, durch welches die Drehzahl der Trommel regulierbar ist.

Fig. 2 stellt einen Schnitt A-A' dar, wobei um das Einlaufrohr 5 das Lager 14 angeordnet ist und der Unterteil der Trommel 9 achsparallele öffnungen 41 aufweist.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt B-B', wobei die Trennwand 10 öffnungen 42 für den Ablauf der Gemischkomponenten aufweist.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt nach C-C, aus der die Entspannungsdüse 6 ersichtlich ist. Mit 11 ist der Mittelteil der Trommel und mit 19 eines der radialen Mitnehmerbleche bezeichnet.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt nach D-Lf, wobei die Anordnung des Lagers 15 des elastischen Zwischenglieds 16 auf der Trennwand 10 ersichtlich ist.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt nach E-E', aus der sowohl die zur Gemischzufuhr dienende Hohlwelle 5 als auch das für das Austreten des Öls dienende Rohr 7 zu sehen ist. Mit 12 ist die Trennwand und mit 42 die

Ablauföffnungen für die Gemischkomponenten bezeichnet.

Fig. 7 stellt einen Schnitt nach F-F' dar. Auf dem Trommeloberteil 13 befinden sich die radialen Mitnehmerbleche 21, während die ölentnahmedüse 8 in das Austrittsrohr 7 übergeht.

Fig. 8 zeigt im Längsschnitt im vergrößerten Maßstab die Verbindungsstelle des oberen Trommelteils 13 mit dem unteren Trommelteil 11, zwischen welchen die Trennwand 12 eingefügt ist, wobei den Verschraubungsstellen Dichtungsringe 29 und 29' vorgelagert sind.

Fig. 9 gibt in. graphischer Darstellung die in einem Kubikmeter Rohöl-Gasgemisch enthaltene Energieverhältnisse bei unterschiedlichem Druck im Separator wieder. Die linke Kolonne zeigt bei einem Gas/Öl-Verhältnis von 80 und einem Druck von 27 atü den Zustand vor der üblichen Düse im Eruptionskopf. Es ist sofort ersichtlich, daß die bedeutendie größere Energiemenge nicht im öl 30, sondern im Gas 31 vorhanden ist. Hingegen gibt die rechte Kolonne die Energiemenge an, die in einem Rohöl-Gas-Gemisch in einem Separator von 7 atü noch vorhanden ist. Dieser Zustand gilt also für das Gemisch in einem der heute üblichen Separatoren. Bisher wurde die Differenz 32 der Kolonne links und rechts in der Düse des Eruptionskopfs durch Wirbelung vergeudet. Gemäß der Erfindung wird hingegen gerade diese Energiedifferenz dazu ausgewertet, um dem aus dem Gemisch abgeschiedenen öl einen höheren als den Eintrittsdruck zu erteilen.

Fig. 10 zeigt an Hand eines Diagramms, daß ein um so höherer ölaustrittsdruck/'2 erzielbar ist, je tiefer bei einem bestimmten Anfangsdruck p 1 der Separatoraustrittsdruck p 3 des Gases gewählt wird, nicht aber tiefer. Es ist wünschenswert, auch das Gas bei möglichst hohem Druck auszuscheiden, um gegebenenfalls vorhandenen, an die Gasleitung angeschlossenen, Kompressoren auch einen hohen kraftsparenden Ansaugdruck zu geben.

Fig. 11 zeigt im Längsschnitt wie die Entspannungsdüse 6 am Eintrittsrohr 5 und die ölentnahmedüse 8 am Austrittsrohr 7 aufgeschraubt und durch eine Überwurfmutter mit gegenläufigem Gewinde gesichert wird. Es sind dabei die zu verbindenden Rohrteile mit 33 und 34 bezeichnet, die von der Überwurfmutter 35 zwischen den Bunden 36 und 37 gehalten werden. Das Rohr 33 wird mit dem Rohr 34 erst mit Linksgewinde so verschraubt, bis Bund 36 auf Bund 37 fest und dicht aufliegt. Dann wird die Überwurfmutter 35 auf Bund 37 mit entgegengesetztem, also in diesem Falle Rechtsgewinde, aufgeschraubt und drückt dadurch den Bund 36 nochmals an den Bund 37 an. Will nun Rohr 33 gegenüber Rohr 34 links drehen, so wird es durch das Linksgewinde 38 daran gehindert. Versucht Rohr 33 nach rechts zu drehen, so wird dieser Vorgang durch das Rechtsgewinde 39 verhindert.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, den Arbeitsort für die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Sonde am Fußende der Steigleitung anzuordnen. Des weiteren ist es aber auch zweckmäßig wegen der besseren Zugänglichkeit den Platz für die erfindungsgemäße Vorrichtung in der Nähe des Bohrlochmundes zu wählen. In Sonderfällen kann es auch vorteilhaft sein, 6g zwei der genannten Vorrichtungen in Serie zu schalten, z. B. bei Emulsionsbehandlungen. Es wird dann in der ersten Vorrichtung das öl vom Gas und den Verunreinigungen getrennt, in der zweiten das Salzwasser von der Emulsion. Letztere kann dann z. B.

nach Zugabe von Chemikalien dem Kreislauf wieder zugeführt werden. Mitunter ist es auch zweckmäßig, das Rohölgemisch vor Eintritt in den Separator etwas anzuwärmen, um gegebenenfalls· sonst stattfindende Paraffinausscheidungen in der Trommel zu verhindern.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zur Nutzbarmachung der Druckenergie von Erdöllagerstätten, in denen Gas in öl teilweise gelöst ist, zum Zwecke der Abscheidung des Gases, gegebenenfalls auch Salzwassers, Tones u. dgl., aus dem öl sowie zur Druckerhöhung des Öles, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in einer lavalartigen Düse annähernd isotherm entspannt wird und durch den dabei entstehenden Öl/Gas- bzw. Öl/Gas/Wasser-Strahl eine drehbare Separatortrommel von innen in bekannter Weise annähernd tangential beaufschlagt wird, wobei nach Trennung der Bestandteile voneinander durch die Fliehkraft das Öl gesondert vom Wasser, Ton u. dgl. aus der rotierenden Trommel durch Geschwindigkeit in Druck umwandelnde Diffusoren abgeleitet werden, während das Gas durch eine zusätzliche öffnung die Trommel verläßt.

2. Separator zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kegel stumpf form ige Trommel (40) in einem druckdichten Gehäuse (1, 3, 3a) eingebaut ist und auf zentrischen Lagern (14, 15), die sich auf einer feststehenden, vorzugsweise hohlen Welle (5) aufstützen, angeordnet sind, wobei mindestens bei einem Lager (15) ein elastisches Zwischenglied (16) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Gemischzufuhr vorgesehene hohle Welle (5) in tangentiale Entspannungsdüsen übergeht, die in entsprechend geformten Aussparungen radialer Mitnehmerbleche (18, 19,20) einmünden, welche mit der Trommel (9,13) fest verbunden sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb und unterhalb der Entspannungsdüse (6) zwei mit der Trommel verbundene horizontale, annähernd als Scheiben gleicher Festigkeit ausgebildete Trennwände (10,12) vorgesehen sind, die den Entspannungsraum abgrenzen und nahe der Trommelwand öffnungen für den Ablauf der Gemischkomponenten aufweisen.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Abfuhr der ölkomponente dienende Düse (8) tangentialen Einlauf besitzt, stetig in radiale Richtung übergehend sich diffusorartig erweiternd in einem Arm untergebracht ist, der etwa das Profil eines Tragflügels besitzt und sich in die Senkrechte umbiegend allmählich in die obere zentrische Hohlwelle (7) übergeht.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (23) für die Entnahme der Wasser-, Ton- und dergleichen Komponenten in ihrer Längsrichtung durch eine Stopfbuchse hindurch axial verschiebbar ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Wandung des unteren Teiles der Trommel (9) mehrere achsparallele öffnungen für den Gasaustritt angeordnet

sind, die näher der Achse liegen als der Austritt der Entspannungsdüse (6).

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsdüse (6) am Eintrittsrohr (5) und die ölentnahme- düse (8) am Austrittsrohr (7) aufgeschraubt und durch eine Überwurfmutter mit gegenläufigem Gewinde gesichert sind.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel aus drei mit den Trennwänden (10,12) verschraubten Ringteilen besteht, wobei den Verschraubungsstellen Dichtungsringe (29,29') vorgelagert sind.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslaufrohr (24) für das Gas ein Drosselventil trägt, durch welches die Drehzahl der Trommel regulierbar ist.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese in der Sonde am Fußende der Steigleitung angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß diese über Tage in der Nähe des Bohrlochmundes angeordnet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 216 939.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

ι 009 679/90 12.60