DE69104592T2

DE69104592T2 - Vorrichtung zum Rühren und zur Aufrechterhaltung einer Suspension von Partikeln in einer Mehrphasen-Strömung.

Info

Publication number: DE69104592T2
Application number: DE69104592T
Authority: DE
Inventors: Maurice Cessou
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1990-11-27
Filing date: 1991-11-06
Publication date: 1995-02-16
Anticipated expiration: 2011-11-07
Also published as: NO177528C; BR9105128A; NO914641L; NO177528B; EP0488838B1; FR2669556A1; AU8814591A; FR2669556B1; EP0488838A1; US5447370A; AU1015795A; NO914641D0; DE69104592D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbesserung an einer Vorrichtung, die einen Speicher sowie Mittel zum Einführen eines Abstroms, insbesondere Mehrphasenabstroms in diesen Speicher umfaßt. Die Verbesserung nach der Erfindung ermöglicht es, die flüssige in diesem Speicher enthaltene Phase homogen zu machen.
Die vorliegende Erfindung ist besonders ausgebildet für die Speicher zur Dämpfung der Schwankungen polyphasischer Zusammensetzung, umfassend: Eine fluide, insbesondere flüssige Phase und eine feste in Partikelform. Sie ermöglicht es, die Suspension der Feststoffpartikel in der Fluidphase, insbesondere flüssigen Phase, zu verbessern.
Die Verbesserung nach der Erfindung kann vorzugsweise angewendet werden auf die französische Patentschrift FR-A-8901332, die eine Vorrichtung zum Steuern und Dämpfen der Zusammensetzungsschwankungen einer Mehrphasenströmung beschreibt, die wenigstens eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase umfaßt.
Diese Vorrichtung umfaßt einen Speicher zum Trennen der Phasen, wobei der Speicher wenigstens eine Eintrittsöffnung für das Mehrphasenfluid sowie Mittel zur Entnahme des Inhalts dieses Speichers aufweist.
Diese Entnahmemittel erstrecken sich im Speicher derart, daß sie die Grenzfläche Flüssigkeit-Gas im Normalbetrieb durchsetzen und umfassen Entnahmeöffnungen, die zu beiden Seiten der Grenzfläche im Normalbetrieb verteilt sind, wobei die Summe der Durchgangsquerschnitte der Öffnungen, geschätzt ausgehend von einer Bezugsposition über wenigstens einen Teil einer vertikalen Achse als Funktion der Kote variiert, betrachtet auf dieser Achse und für diesen Teil, wobei dieser Teil sich im Normalbetrieb zu beiden Seiten der Grenzfläche erstreckt.
Die Entnahmemittel können wenigstens ein Entnahmerohr umfassen und die Entnahmeöffnungen können über dieses Rohr verteilt sein.
Das Entnahmerohr kann wenigstens einen gemeinsamen Ausgang für die flüssige Phase und die gasförmige Phase umfassen.
Das Entnahmerohr kann wenigstens zwei unterschiedliche Ausgänge umfassen, von denen der eine eine an Flüssigkeit reiche Phase entnimmt.
Das Entnahmerohr kann wenigstens zwei unterschiedliche Ausgänge umfassen, von denen eines eine an Gas reiche Phase entnimmt.
Wie bereits ausgeführt, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, das Verfahren und die Vorrichtung zu verbessern, wie sie insbesondere in der FR-A-8901332 beschrieben ist, die Homogenisierung der Phasen noch besser zu machen und Partikel im Abstrom in Suspension zu versetzen und zu halten.
Nach dem Stand der Technik ist einer der Hauptnachteile im Betrieb des Regulierspeichers oder Regulierballons die Bildung von Feststoffabscheidungen, die auf die Ansammlung der Partikel am Boden des Ballons zurückzuführen sind, wobei diese Abscheidungen Gefahr laufen, die Austrittsöffnungen des Ballons zuzusetzen und dessen Volumen zu modifizieren.
Es ist also notwendig, Reinigungsvorgänge vorzunehmen, die einen Stillstand der Vorrichtung erfordern und die sich schlecht an die schwierigen Betriebsbedingungen anpassen wie sie am Boden des Wassers im Falle einer Unterwasseranwendung auftreten und beispielsweise auf die Behandlung von Erdölabströmen zurückzuführen sind.
So betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung, um Feststoffpartikel eines Abstroms in Suspension zu versetzen und sie dort zu halten, eine flüssige Phase und eine gasförmige Phase umfassend, wobei die flüssige Phase Feststoffpartikel enthalten kann. Diese Vorrichtung umfaßt einen Speicher zur Trennung der Phasen, wobei der Speicher Entnahmemittel für seinen Inhalt umfaßt, der Speicher wenigstens eine Abstromeintrittsöffnung und Injektionsmittel umfaßt, die benachbart dem Boden des Speichers angeordnet sind. Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß die Injektionsmittel wenigstens eine Injektionsöffnung umfassen, die wenigstens eine gegen den Boden des Speichers gerichteten Strahl erzeugen. Dank dieser Anordnung der Öffnungen ermöglichen die durch die Strömung des Abstroms durch die Öffnungen hervorgerufenen Strahlen es, die am Boden des Speichers nach einer Stillstandsperiode angesammelten Feststoffe abzulösen und auf steigende Ströme zu bilden, welche die Feststoffe in Suspension, wenn die Vorrichtung sich in Betrieb befindet, halten.
Die Injektionsmittel können in der unteren Hälfte des Speichers angeordnet sein.
Die Injektionsmittel können wenigstens ein Injektionsrohr umfassen.
Dieses Injektionsrohr kann Öffnungen umfassen, die über den unteren Teil verteilt und nach unten und schräg gerichtet sind. Zur Harmonisierung der Ströme liegt der Winkel der Öffnungen bezogen auf die Vertikale zwischen 0º und 90º. Der Optimalwert des Winkels wird benachbart 45º liegen.
Die Optimierung in der Funktionsweise einer solchen Vorrichtung ist verknüpft mit der Vergleichmäßigung der im Speicher erzeugten Ströme, mit der Wahl der Anzahl und der Abmessung der auf dem Injektionsrohr angeordneten Öffnungen sowie deren Form. Diese Wahl resultiert aus einem Kompromiß zwischen der Notwendigkeit, daß man eine gute Durchrührung in diesem Ballon haben muß, d.h. eine Auftriebsgeschwindigkeit, die größer als diese Sedimentationsgeschwindigkeit der Partikel ist, ohne daß darum übermäßige Druckverluste erzeugt würden.
Diese Öffnungen können eine bevorzugt kreisförmige Gestalt haben. Ihr Durchmesser liegt zwischen 5 und 20 mm, derart, daß sie sich nicht selbst zusetzen und daß sie eine gute Funktionsweise des Systems sicherstellen. Ihre Zahl und Abmessung ist eine Funktion der gewünschten Geschwindigkeit. Beispielsweise erhält man für eine Pumpe von 25000 Barrels pro Tag gas oil ratio 10 (Gesamtmenge 165 m³/h bei Ansaugbedingungen) eine Geschwindigkeit von 5 bis 6 m/Sek. in einer Rohrleitung von 100 mm (4 Zoll). Wünscht man, die gleiche Geschwindigkeit in den Öffnungen beizubehalten, so muß man 100 Löcher von einem Durchmesser von 10 mm oder 45 Löcher mit einem Durchmesser von 15 mm haben.
Das Rohr kann wenigstens eine Abstromeinführung umfassen. Das Rohr kann wenigstens zwei unterschiedliche Abstromeingänge haben.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch die Anwendung der vorher beschriebenen Vorrichtung auf die Steuerung der Speisung einer Mehrphasenpumpe.
Die Erfindung betrifft auch die Anwendung der vorbeschriebenen Vorrichtung auf die Verbesserung der Homogenisierung der Phasen im Speicher.
Ein besseres Verständnis der Erfindung und ihrer Vorteile ergibt sich klarer aus der folgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele, die nicht als begrenzend anzusehen sind und durch die beiliegenden Figuren erläutert werden, in denen
- Fig. 1 eine erste Ausführungsform mit Injektionsmittel mit einem einzigen Eingang zeigt;
- Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform für die die Injektionsmittel zwei Eingänge umfassen;
- die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Ausführungsvarianten der Inj ektionsmittel;
- Fig. 5 zeigt eine Art, wie man die Injektionsmittel für den Fall realisieren kann, wo der Winkel optimal ist und bei 45ºliegt;
- Fig. 6 zeigt eine der möglichen Verbesserungen aufgrund der an einem Speicher angebrachten Injektionsmittel mit Mitnahmemitteln, die zwei Ausgänge umfassen.
In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Injektionsrohr eines Mehrphasengemisches in einen Überführungsspeicher 2. Dieser Speicher umfaßt ein Entnahmerohr 3. Dieses Rohr umfaßt über seine Länge verteilte Löcher 4. Das Rohr 3 ist mit einem Ausgangsrohr 5 für das Mehrphasengemisch hin zu seinem Bestimmungsort verbunden.
Das Injektionsrohr befindet sich benachbart dem Boden des Speichers in der unteren Hälfte des Speichers und hat die Form eines Torus. Es kann im wesentlichen horizontal bezogen auf den Boden des Speichers sein. Im übrigen weist dieses Rohr Öffnungen 6 auf,, die auf dem unteren Teil angeordnet und nach unten und schräg zu beiden Seiten der vertikalen Achse senkrecht zum Rohr gerichtet sind. Dieses Rohr ist mit dem Rohr 7 für die Einführung des Mehrphasengemisches verbunden. Das Entnahmerohr 3 ist vom Injektionsrohr umschlossen.
Man verläßt nicht den Rahmen der Erfindung, wenn die Rohre gegen den Boden des Speichers orientiert sind und wenn ihre Achsen im wesentlichen vertikal sind.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Injektionsrohrs. Die den Fig. 1 und 2 gemeinsamen Elemente 3 tragen die gleichen Bezugszeichen. Das Injektionsrohr befindet sich benachbart dem Boden des Speichers in seiner unteren Hälfte. Es kann im wesentlichen horizontal bezogen auf den Speicher sein.
Der Speicher umfaßt ein Entnahmerohr 23, welches über seine Länge verteilte Löcher 4 umfaßt. Das Rohr 23 ist mit einem Austrittsrohr 25 für das Mehrphasengemisch gegen seinen Bestimmungsort hin verbunden.
Dieses Rohr hat die Form eines Rechtecks und besitzt zwei Eingänge für das Mehrphasengemisch, einen 9, der benachbart dem Speicher nahe dem Entnahmerohr sich befindet, der andere 8 am gegenüberliegenden Ende des Speichers. Das Entnahmerohr ist umschlossen vom Injektionsrohr und weist Entnahmelöcher auf. Es ist mit einem Austrittsrohr 25 für das Mehrphasengemisch gegen den Bestimmungsort verbunden.
Fig. 3 zeigt in der Abwicklung einer Ausführungsform des Injektionsrohrs, welches die Gestalt eines Torus hat.
Fig. 4 gibt ein anderes Ausführungsbeispiel des Injektinsrohrs für das die Form rechteckig ist.
Fig. 5 zeigt in der Abwicklung eine Ausführungsform des Injektionsrohrs, in welchem kreisförmige Öffnungen 10 ausgespart sind. Man stellt bei dieser Ausführungsform fest, daß die Öffnungen im unteren Teil des Rohrs zu beiden Seiten der vertikalen Achse senkrecht zum Rohr sich befinden und nach unten und schräg zu beiden Seiten der vertikalen Achse senkrecht zum Rohr mit einem bevorzugten Winkel von 45º gerichtet sind.
Man verläßt nicht den Rahmen der vorliegenden Erfindung, wenn das Rohr mehrere Reihen von Öffnungen umfaßt, die schachbrettartig angeordnet sein können.
Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform. Die den Fig. 1 und 2 gemeinsamen Elemente tragen die gleichen Bezugszeichen. Das Entnahmerohr 11 durchsetzt zu beiden Seiten den Speicher in Richtung seiner Höhe und besitzt zwei Ausgänge, den einen unteren 12 und den anderen oberen 13, die jeweils mit einem unteren Führungsrohr 14 und einem oberen Führungsrohr 15 verbunden sind. Diese Rohre laufen bei 16 zusammen und das resultierende Gemisch wird durch das Rohr 17 transportiert.
Das untere Führungsrohr 14 transportiert einen im wesentlichen flüssigen Abstrom, während der im wesentlichen gasförmige Abstrom vom oberen Führungsrohr 15 transportiert wird.
Die Arbeitsweise dieser Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 wird im folgenden gegeben.
Der Speicher oder Mehrphasen-Steuerballon 2 hat zum Ziel, die Veränderungen der GOR zu vermindern, die man in einer intermittierenden Mehrphasenströmung beobachten kann (Strömung mit Flüssigkeitsstau und Gastaschen), eine Strömung mit Stau in eine Strömung mit Blasen (homogene Strömung) umzuformen, und über eine ausreichende Flüssigkeitsreserve zu verfügen, um eine erhebliche Menge Gas abzuziehen. Unter GOR versteht man das Verhältnis des Gasvolumens zum Flüssigkeitsvolumen (in englisch "Gas Oil Ratio").
Der Ballon ist ein statisches Teil der Ausrüstung, das es ermöglicht, eine Veränderung des GOR des Fluids am Eintritt in eine Veränderung des Niveaus in diesem Ballon umzuformen, wobei diese Niveauveränderung von geringer Ainplitude (Fall eines zylindrischen Ballons mit horizontaler Achse) oder stärkerer Amplitude (Fall eines zylindrischen Ballons mit vertikaler Achse) sein kann.
Darüberhinaus kann die in diesem Ballon zurückgehaltene Flüssigkeitsmenge eine Reserve bilden, die benützbar ist, um eine große Tasche trockenen Gases zu benetzen (mehrere Kubikmeter) und mit einem GOR zu ziehen, der bzw. das es erlaubt, einen ausreichenden Druckgewinn mit einem Mehrphasenpumpsystem zu erreichen. Dieser Ballon kann auch dazu dienen, im Falle der Verwendung eines Phasenrecyclisierers, die flüssige oder gasförmige aus dem Mehrphasengemisch extrahierte Phase am Austritt der Kompressinseinheit aufzufangen. Im Rahmen einer Anwendung auf dem Erdölgebiet kann dieser Ballon auch dazu dienen, einen Teil des im Erdölabstrom enthaltenen Wassers zu trennen und einen Teil des im Erdölabstrom enthaltenen Sandes abzutrennen.
Dieser Ballon ist mit einem durchbohrten Rohr ausgestattet, das den Austritt des Mehrphasenfluids ermöglicht.
Der Abzug des abgetrennten oder teilweise in dem Ballon abgetrennten Mehrphasenfluids erfolgt durch das durchbohrte Rohr 3 oder 23 je nachdem, ob man die Ausführungsform der Fig. 1 oder 2, die vertikal im Ballon angeordnet ist, betrachtet. Dieses Rohr ermöglicht es, die Flüssigkeit proportional zum getauchten Durchlassquerschnitt SL abzuziehen. In der gleichen Weise wird das Gas proportional zum nicht getauchten Durchlassquerschnitt SG abgezogen.
Bezeichnet man mit Pi den statischen Druck im Ballon in Höhe einer Öffnung i des durchbohrten Rohres und mit Ps den Druck des Fluids am Austritt des durchbohrten Rohres, so werden die Austrittsdurchsätze der Flüssigkeit und des Gases durch die Beziehung gegeben:
Pi - Ps = f (Qi)
Qi: Durchsatz des Fluids, der durch eine Öffnung i tritt.
Die Funktion f (Qi) berücksichtigt den Druckverlust über die öffnung (oder den durch das absteigende Fluid gegebenen Druckgewinn - Ejektor-Effekt), den linearen Druckverlust im Rohr sowie die Druckverluste aufgrund von Verbindungsstellen (folgende Öffnungen).
Obwohl der analytische Ausdruck der Funktion f (Qi) nicht bekannt ist, ist leicht vorstellbar, daß der Durchlassquerschnitt (Querschnitt der Öffnungen), der zum Abzug eines Flüssigkeitsvolumens notwendig ist, größer sein muß als der Durchlassquerschnitt, der zum Abzug eines Gasvolumens erforderlich ist. Damit wird die Lochdichte im unteren Teil des durchbohrten Loches größer als im oberen Teil dieses Rohres (ausgenommen der Fall des Betriebs bei sehr hohem GOR oder bei erhöhtem Druck). Die Dimensionierung des Austrittsrohres erfolgt vorzugsweise derart, daß der normale Veränderungsbereich des Niveaus sich in der Mitte des Ballons befindet.
Versuche mit der Vorrichtung nach der Erfindung haben gezeigt, daß es möglich wird, brutale GOR Änderungen zu absorbieren, die am Austritt einer Leitung auftreten können und ein Mehrphasenfluid zu liefern, dessen volumenbezogene Masse praktisch konstant und gleich der mittleren volumenbezogenen Masse des Fluids am Eintritt des Ballons (zeitgemittelt) ist. Darüberhinaus kann dieser Ballon eine Flüssigkeitsreserve bilden, die dazu bestimmt ist, über die Mehrphasenpumpe eine sehr große Tasche trockenen Gases abzuziehen (diese Tasche kann während der Phase des Anlaufens am Bohrloch auftreten).

Claims

1. Vorrichtung zum Durchführen bzw. umherwirbeln der Partikel einer Nehrphasenströmung mit wenigstens einer flüssigen Phase und einer gasförmigen Phase, wobei diese Vorrichtung einen Speicher (2) zum Trennen dieser Phasen umfaßt, dieser Speicher Entnahmemittel (3) für den Inhalt dieses Speichers sowie Mittel zur Injektion (1) des Mehrphasengemisches umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß diese Injektionsmittel benachbart dem Boden des Speichers angeordnet sind und wenigstens eine Injektionsöffnung (6), die wenigstens einen gegen den Boden des Speichers gerichteten Strahl erzeugt, umfassen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Injektionsmittel wenigstens ein im wesentlichen horizontales Injektionsrohr umfassen und daß die Injektionsöffnungen (6) über den unteren Teil dieses Rohrs verteilt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich dieses Injektionsrohr (1) im wesentlichen horizontal in der unteren Hälfte des Speichers befindet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Injektionsöffnungen (6) nach unten gerichtet sind und schräg zu beiden Seiten der zum Rohr senkrechten Achse unter einem Winkel zwischen 0º und 90º gerichtet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese Öffnungen (6) eine kreisförmige Gestalt haben.

6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Injektionsrohr eine Torusgestalt für einen vertikalen Speicher hat.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Injektionsrohr eine rechtwinkelige Gestalt im Falle der Verwendung eines horizontalen Speichers hat.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Entnahmemittel wenigstens ein Entnahmerohr umfassen und daß die Entnahmeöffnungen (4) über dieses Rohr verteilt sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Entnahmerohr wenigstens eine gemeinsame Austrittsöffnung (5) für die flüssige Phase und die gasförmige Phase umfaßt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Entnahmerohr wenigstens zwei unterschiedliche Ausgänge (12,13) hat.

11. Anwendung der in einem der Ansprüche 1-10 beschriebenen Vorrichtung auf die Homogenisierung der Phasen im Falle der Produktion eines Erdölabstroms.