DE69511821T2

DE69511821T2 - Trennung von Öl- und Gasphase am Bohrlochkopf

Info

Publication number: DE69511821T2
Application number: DE69511821T
Authority: DE
Inventors: Daniel P. Birmingham; William Paul Prueter; Matthew J. Reed
Original assignee: Babcock and Wilcox Co
Current assignee: Babcock and Wilcox Co
Priority date: 1994-11-10
Filing date: 1995-11-06
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2015-11-07
Also published as: EP0711903B1; JP2767574B2; NO954512D0; EP0711903A2; JPH08238402A; EP0711903A3; DE69511821D1; NO954512L; RU2156637C2; CA2162437A1; AR001043A1; NO309587B1; US6364940B1; CA2162437C

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein Trennsysteme und speziell eine Vorrichtung zum Trennen von Öl- und Gasphasen, die in Bohrlochkopffluiden enthalten sind, die man bei Kohlenwasserstoffproduktionssystemen erhält.
Die meisten der bekannten Gas/Öl-Trennsysteme beruhen auf natürlicher oder Gravitationstrennung, welche große Behältnisse erfordert, um die erwünschte Trennleistung zu erreichen. Wenn natürliche Trennung in einem relativ kleinen Behälter angewendet wird, ist der Durchsatz oder Dampfdurchfluß jenes Systems signifikant kleiner im Vergleich mit anderen Systemen, die nicht auf natürlicher Trennung beruhen. Ein Beispiel eines Systems, welches offensichtlich natürliche Trennung verwendet, ist in der US-Patentschrift US-A-4 982 794 beschrieben.
Ein bekanntes Trennsystem ist in der UK-Patentanmeldung GB-A 2 203 062 beschrieben und verwendet Zentrifugaltrennung für eine primäre Trennstufe und Trägheitstrennen (d. h. Gaswäscher) für eine zweite Trennstufe. Obwohl dieses System am wahrscheinlichsten höhere Trennkapazitäten als ein System hat, das auf natürlicher Trennung beruht, hat es am wahrscheinlichsten weniger Kapazität im Vergleich mit einem System, das Zentrifugaltrennung für beide Stufen verwenden könnte.
Die US-Patentschriften US-A-2 037 426, US-A-2 256 524 und US-A-2 533 977 beschreiben Öl- und Gastrennsysteme mit primären und sekundären Zentrifugaltrenneinrichtungen zur Trennung einer Öl/Flüssigkeitsphase von einer Gasphase, die in einem Bohrlochkopffluid aus einem Kohlenwasserstoffproduktionssystem enthalten ist.
Gemäß der Erfindung bekommt man eine Vorrichtung zur Abtrennung einer Öl/Flüssigkeitsphase von einer Gasphase, die in einem Bohrlochkopffluid aus einem Kohlenwasserstoffproduktionssystem enthalten ist, mit
einem Behältnis, das unter Druck gesetzt werden kann und einen Bohrlochkopffluideinlaß zur Verbindung mit dem Kohlenwasserstoffproduktionssystem für einen Eintritt von Bohrlochkopffluid, einen Gasaustrittauslaß für den Austritt von Auslaßgas, das von dem Bohrlochkopffluid abgetrennt wurde, und einen Öl/Flüssigkeitsaustrittsauslaß zum Austritt von Öl/Flüssigkeit, die von dem Bohrlochkopffluid abgetrennt wurde, hat, einem Öl/Flüssigkeits- Hauptspeicherabteil an einem unteren Ende des Behältnisses, wobei der Öl/Flüssigkeitsaustrittsauslaß mit dem Speicherabteil, einem Sekundärabteil am oberen Ende des Behältnisses und einer Einrichtung zur Verbindung des Speicherabteils und des Sekundärabteils miteinander in Verbindung steht,
einer Primärzentrifugentrenneinrichtung in dem Behältnis zur Abtrennung eines Haupt teils der Öl/Flüssigkeitsphase von dem Bohrlochkopffluid, um eine feuchte Gasphase zurückzulassen, wobei die Primärzentrifugentrenneinrichtung ein Steigrohr mit einem offenen unteren Ende hat, das mit dem Bohrlochkopffluideinlaß zur Aufnahme von aufwärts strömendem Bohrlochkopffluid in Verbindung steht, das Steigrohr ein geschlossenes oberes Ende hat, mehrere gekrümmte Arme im Abstand voneinander um das Steigrohr angeordnet sind, um einen Hauptteil der Öl/Flüssigkeitsphase dazu zu bringen, sich von dem Bohrlochkopffluid abzutrennen, um die feuchte Gasphase zu hinterlassen, jeder gekrümmte Arm eine sich axial erstreckende gekrümmte Wand hat, die von dem Steigrohr weg zwischen einer Fußkante der gekrümmten Wand an dem Steigrohr und einer Außenkante der gekrümmten Wand im Abstand nach außen von dem Steigrohr gekrümmt ist, wenigstens eine radiale Trennwand in dem gekrümmten Arm vorgesehen ist, um einen inneren Raum zu teilen, der durch den gekrümmten Arm in mehrere Höhen geteilt ist, die Primärzentrifugentrenneinrichtung auch einen Rücklaufzylinder um das Steigrohr und die gekrümmten Arme umfaßt, um durch Zentrifugalkraft von der Außenkante der gekrümmten Arme sich nach außen bewegende Öl/Flüssigkeitsphase aufzunehmen, der Rücklaufzylinder ein offenes unteres Ende hat, das sich in das Speicherabteil erstreckt, um die Öl/Flüssigkeitsphase abwärts zu dem Speicherabteil zu tragen, und der Rückstromzylinder ein offenes oberes Ende für den Durchtritt der feuchten Gasphase hat, und
einer Sekundärzentrifugentrenneinrichtung in dem Behältnis im Abstand oberhalb der und axial ausgerichtet mit der Primärzentrifugentrenneinrichtung durch einen offenen Zwischenbereich, wobei die Sekundärzentrifugentrenneinrichtung die feuchte Gasphase aufnimmt und mehrere tangentiale Einlaßflügel umfaßt, in welche die feuchte Gasphase für weitere Abtrennung von Öl/Flüssigkeit von der feuchten Gasphase zur Hinterlassung einer trockenen Gasphase geht, die Sekundärzentrifugentrenneinrichtung eine Abschäumeinrichtung einschließt, die Abschäumschlitze oberhalb der Einlaßflügel begrenzt, um die trockene Gasphase aufzunehmen und weitere abgetrennte Öl/Flüssigkeit abwärts in das Sekundärabteil zu lenken, die weiter abgetrennte Öl/Flüssigkeit von dem Sekundärabteil zu dem Speicherabteil durch die Einrichtung zur Verbindung des Speicher- und Sekundärabteils geht und die Abschäumeinrichtung ein offenes oberes Ende in Verbindung mit dem Gasaustrittsauslaß hat, um die trockene Gasphase zu dem Gasaustrittsauslaß zu führen.
Die vorliegende Erfindung ist geeignet zur Trennung eines Bohrlochkopffluidgemisches, das Öl- und Gasphasen enthält und aus Kohlenwasserstoffproduktionssystemen erhalten wurde, in seine Bestandteile. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können entweder oben oder unter Wasser durch die Verwendung einer kompakten und äußerst effizienten Trennanordnung verwendet werden.
Spezieller liefert eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Trennvor richtung, die einen oder mehrere Zentrifugalkraft-Primärtrennvorrichtungen mit gekrümmtem Arm und einen oder mehrere Zentrifugalkraft-Zyklon-Sekundärtrenneinrichtungen benutzt. Ausgenommen einige Änderungen, die an den gekrümmten Armen gemacht werden, ist die Primärtrennvorrichtung vorzugsweise ähnlich der in der US-Patentschrift US-A-4 648 890 beschriebenen Trennvorrichtung. Die Sekundärtrennvorrichtung ist vorzugsweise ähnlich der in der US-Patentschrift US-A-3 324 634 beschriebenen Trennvorrichtung. Die Primär- und Sekundärtrennvorrichtungen werden immer in Paaren verwendet, und die Kombination einer Primär- und Sekundärtrennvorrichtung vom Zentrifugaltyp ergibt eine kompakte und äußerst wirksame Trennvorrichtungsanordnung. Die Trennvorrichtung kann in mehreren Paaren (zwei oder mehr Primär- und zwei oder mehr Sekundärtrennvorrichtungen) oder in einer Apparatur mit nur einer einzigen Primär- und einer einzigen Sekundärtrennvorrichtung benutzt werden. Die Anordnung mit mehreren Paaren wird typischerweise für obere Anwendungen benutzt, während die Trennvorrichtungsanordnung mit einer einzelnen Primär- und einer einzelnen Sekundärtrennvorrichtung typischerweise ausreicht, um die meisten Unterwasseranwendungen zufriedenzustellen.
Derzeit wird obere oder Plattformtrennung normalerweise unter Verwendung einer Schwerkrafttrennung durchgeführt, welche sehr große Trommel- oder Druckkesselvolumina erfordert. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist nicht nur in ihrer kleineren Größe weniger kostspielig herzustellen als bekannte Trennvorrichtungen, sondern die verminderte Größe der Gas/Öl-Trennvorrichtung erfordert auch geringeren Plattformraum, ein wirtschaftlich attraktives Merkmal, da die Kosten von Plattformen direkt in Beziehung zu der Größe der Behälter stehen.
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liefert auch eine einzigartige und wirksame kompakte Vorrichtung zur Unterwassertrennung eines Gas- und Flüssigkeitsgemisches. Bei einer Unterwasseranwendung liefert die vorliegende Vorrichtung den meisten Vorteil für marginale Feldentwicklungen, da ohne Unterwassertrennung marginale Felder nicht wirtschaftlich betrieben werden können.
Wie bekannt, bekommt man die Trennung von Dampf- und Flüssigkeitsphasen vor einem Transport der Fluide zu einer Plattform oder Produktionsanlage. Geringere technische Forderungen sind mit der ersten Trennung der Phasen und dann getrenntem Transport derselben abstromwärts im Vergleich mit dem Transportieren mehrphasiger Gas- und Ölgemische verbunden, wo stoßweises Fließen und Hydratbildung weit verbreitet sind.
Derzeit ist keine andere Vorrichtung bekannt, die eine Kombination von Zentrifugalkraftprimär- und -sekundärtrennvorrichtungen mit der Kompaktheit und hohen Trennkapazitätseffizienz des vorliegenden Systems liefert.
Die Erfindung wird nun beispielhalber unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, in der durchgängig gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen werden und worin
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung ist, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Benutzung mehrerer Primär- und mehrerer Sekundärzentrifugaltrennvorrichtungen benutzt,
Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung entlang der Richtung der Pfeile 2-2 in Fig. 1 ist,
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung ist, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Benutzung einer einzelnen Primär- und einer einzelnen Sekundärzentrifugaltrennvorrichtung erläutert,
Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung entlang der Richtung der Pfeile 4-4 in Fig. 3 ist,
Fig. 5 eine vergrößerte perspektivische Ansicht einer Primärtrennvorrichtung mit gekrümmtem Arm und einer Sekundärzyklontrennvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist und
Fig. 6 eine grafische Darstellung ist, die die Testergebnisse für Flüssigkeitsfluß gegen Dampffluß in einer Zentrifugaltrennvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung aufzeichnet. Bezieht man sich allgemein auf die Zeichnung, worin gleiche Bezugszeichen die gleichen oder funktionell ähnlichen Elemente in allen verschiedenen Zeichnungen wiedergeben, und insbesondere auf Fig. 1, so liefert eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine kompakte Gas/Öl-Zentrifugaltrennvorrichtung mit mehreren Paaren und hoher Effizienz 10 zum Trennen von Bohrlochkopffluiden 12, die man aus Kohlenwasserstoffproduktionssystemen erhält, in getrennte Öl- und Gasphasen. Wie hier verwendet, bedeutet der Begriff Bohrlochkopffluid irgendein zweiphasiges Gemisch von Öl und Gas im wesentlichen in seinem natürlichen Zustand, wie es aus der Erde entnommen wird oder von seinem Entnahmepunkt zu der Gas/Öl-Trennvorrichtung des vorliegenden Systems transportiert wurde.
Die Gas/Öl-Trennvorrichtung 10 umfaßt eine Trommel oder einen Druckbehälter 14 mit einem Einlaß 16 für Bohrlochkopffluid, um die Bohrlochkopffluide 12 (typischerweise Rohöl und mitgerissene Gase) in den Druckkessel 14 zu bringen. Ein Gasauslaß 18 liegt an einem Ende gegenüber dem Fluideinlaß 16 des Druckbehälters 14, um abgetrennte Gase 20 aus dem Druckbehälter 14 zu befördern. Der Druckbehälter 14 enthält einen Öl/Flüssigkeits-Auslaß 22 zur Beförderung abgetrennter Öl/Flüssigkeiten 24 aus dem Druckbehälter 14. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Druckbehälter 14 im wesentlichen vertikal ausgerichtet, wobei der Bohrlochkopffluideinlaß 16 allgemein an seinem unteren Ende angeordnet ist, der Gasauslaß 18 an seinem oberen Ende liegt und der Flüssigkeitsauslaß 22 an irgendeiner mittleren Stelle liegt.
Die Öl/Gas-Trennvorrichtung 10 verwendet mehrere Paare von Zentrifugalkrafttrennvorrichtungen, insbesondere einen oder mehrere Zentrifugalkraft-Primärtrennvorrichtungen 30 mit gekrümmtem Arm und einen oder mehrere Zentrifugalkraft-Zyklon-Sekundärtrennvor richtungen 50. Da diese Primär- und Sekundärtrennvorrichtungen 30, 50 ähnlich jenen sind, die in den oben erwähnten US-Patentschriften US-A-4 648 890 und US-A-3 324 634 beschrieben sind, wird der Leser auf diese Literaturstellen verwiesen, wenn er spezielle Einzelheiten benötigt. Die Primär- und Sekundärtrennvorrichtungen 30, 50 werden immer in Paaren verwendet, und die Kombination einer Primär- und Sekundärtrennvorrichtung vom Zentrifugaltyp liefert eine kompakte und äußerst effiziente Trennvorrichtungsanordnung. Die Bohrlochkopffluide 12 werden zunächst von den Zentrifugalkraft-Primärtrennvorrichtungen 30 mit gekrümmtem Arm bearbeitet, welche eine erste Zentrifugalkraftabtrennung von Öl/Flüssigkeiten 26 von den zweiphasigen Bohrlochkopffluiden 12 leisten und dabei ein feuchtes Gas mit etwas restlicher Öl/Flüssigkeit 29 darin erzeugen. Dann ergeben die Zentrifugalkraft-Zyklon- Sekundärtrennvorrichtungen 50, die oberhalb und paarweise zusammen mit den Zentrifugalkraft-Primärtrennvorrichtungen 30 mit gekrümmtem Arm liegen, eine zweite Zentrifugalkrafttrennung des feuchten Gases 28, das die Primärtrennvorrichtungen 30 verläßt und von welchem ein Hauptteil der Flüssigkeit entfernt wurde, um so viel wie möglich von der restlichen Öl/Flüssigkeit 29 von dem feuchten Gas 28 zu entfernen.
Über 95% der Flüssigkeit in dem Bohrlochkopffluidgemisch 12 werden davon durch den oder die Primärtrennvorrichtungen 30 abgetrennt, und praktisch die gesamte restliche Flüssigkeit in dem nassen Gas 28, das aus dem oder den Primärtrennvorrichtungen 30 kommt, wird durch die Sekundärtrennvorrichtungen 50 entfernt. Sowohl das Öl/die Flüssigkeit 26, die durch die Primärtrennvorrichtung 30 entfernt wurden, als auch das Öl/die Flüssigkeit 29, die durch die Sekundärtrennvorrichtung 50 entfernt wurden, werden unter der Schwerkraft in einen unteren Abschnitt des Druckbehälters 14 zurückgeführt und bilden einen Flüssigkeitsbestand 31 darin. Die hohe Trennkapazität der Primär- und Sekundärtrennvorrichtungen 30, 50 erlaubt die Verwendung eines einzelnen Paares von Primär- und Sekundärtrennvorrichtungen, wenn erforderlich, wie in der Ausführungsform von Fig. 3 gezeigt ist. Wie oben erwähnt, wäre die Anordnung mit einer einzigen Primär- und einer einzigen Sekundärtrennvorrichtung typischerweise ausreichend, um für die meisten Unterwasseranwendungen zufriedenstellend zu sein, und erleichtert somit die Gestaltungsoptimierung und Bestätigungstests bei Prototypbedingungen, die in größeren Einzelheiten später beschrieben sind.
Wie in den Fig. 1 und 5 erläutert, umfaßt jede Zentrifugalkraft-Primärtrennvorrichtung 30 mit gekrümmtem Arm ein Steigrohr 32 zur Beförderung des Bohrlochkopffluidgemisches 12 aufwärts durch es hindurch, vier Sätze von mehrschichtigen gekrümmten Armen 34 und eine äußere Büchse oder einen Rückführzylinder 36, der das Steigrohr 32 und die gekrümmten Arme 34 umgibt. Wie oben angegeben, sind die gekrümmten Arme 34 der Primärtrennvorrichtung(en) 30 nicht vom Wiedereintritt-Typ, wie er in der oben erwähnten US- Patentschrift US-A-4 648 890 beschrieben ist. Die gekrümmten Arme 34 sind stattdessen direkt an der Außenwand des Steigrohres 32 angesetzt. Das Bohrlochkopffluidgemisch 12 tritt am Boden des Steigrohres 32 ein und fließt aufwärts durch es hindurch, bis es die Nähe der gekrümmten Arme 34 erreicht, wo es das Steigrohr 32 verläßt. Der Hauptteil der Öl/- Flüssigkeitsabtrennung von dem Bohrlochkopffluidgemisch 12 erfolgt, wenn das Gemisch 12 durch die gekrümmten Arme 34 fließt, wobei die dichtere Öl/Flüssigkeit 26 in dem Gemisch 12 zu den Außenwänden der gekrümmten Arme 34 neigt. Während der Zentrifugaltrennung entwickelt sich ein Film von Öl/Flüssigkeit 26 auf der Innenwand des Rückführzylinders 36 und geht in Kaskaden abwärts zu dem Hauptflüssigkeitsbestand 31 (Fig. 1). Der Rückführzylinder 36 erstreckt sich oberhalb des oberen Endes der gekrümmten Arme 34, wo es eine Anzahl von Perforationen 38, vorzugsweise etwa 12,7 mm (1/2 Inch) Durchmesser, und eine Rückhaltelippe 40 an dem oberen Ende 42 der Trennvorrichtung 30 gibt, die verwendet werden, um die Flüssigkeitsentfernungsfähigkeit der Trennvorrichtung 30 mit hohem Gas- und Flüssigkeitsfluß zu verbessern, besonders wenn Stoßflußbedingungen existieren können. Verschiedene Perforationsgeometrien können verwendet werden. Das feuchte Gas 28 verläßt das obere Ende 42 der Primärtrennvorrichtung(en) 30 in einen im wesentlichen offenen Zwischenstufenbereich 44, welcher verwendet wird, um das feuchte Gas 28 gleichmäßiger zu verteilen, bevor es in den oder die Sekundärzyklone 50 eintritt. Dieser Zwischenbereich 44 gestattet auch, daß Flüssigkeitströpfchen unter der Schwerkraft ausfallen, wenn der feuchte Gasfluß 28 unter der Tröpfchenmitreißschwelle sich befindet. Um zu gewährleisten, daß das Austrittsgas 20 so trocken wie möglich ist, wird ein erforderlicher Abstand 46 (Fig. 5) zwischen den Primärtrennvorrichtungen 30 und den Sekundärtrennvorrichtungen 50 gehalten, vorzugsweise bei etwa 1,2 m (4 Fuß).
Ein Trennungsabstand 48 wird auch zwischen dem oberen Ende des mehrschichtigen gekrümmten Arms 34 und dem oberen offenen Ende 42 der Primärtrennvorrichtung 30 gehalten, und vorzugsweise im Bereich von etwa 380 mm bis 460 mm (15 bis 18 Inch). Die Flüssigkeitsentfernungskapazität kann durch Verlängerung dieses Abstandes gesteigert werden.
Wenn das zweiphasige Bohrlochkopffluidgemisch 12 durch die gekrümmten Arme 34 fließt, folgt eine Trennung, da die schwereren Öl/Flüssigkeitströpfchen 26 zu dem Außenradius der gekrümmten Arme 34 wandern und das weniger dichte feuchte Gas 28 zu dem Innenradius der gekrümmten Arme 34 wandert. Eine Abtrennung in den gekrümmten Armen 34 gestattet es, daß ein Öl/Flüssigkeitsfilm 26 rein auf den Innendurchmesser des Rückführzylinders 36 ausgetragen wird. Die Rückhaltelippe 40 und die Perforationen 38 sind wichtig bei starken Strömen des Bohrlochkopffluidgemisches 12, da die Rückhaltelippe 40 die Zunahme des Öl/Flüssigkeitsfilters 26 aufwärts begrenzt, während die Perforationen 38 die abgetrennte Öl/Flüssigkeit 26 von der Innenseite des Rückflußzylinders 34 entfernen und so erlauben, daß sie unter der Schwerkraft entlang der Außenseite des Rückführzylinders 36 zurückkehrt, um ein Teil des Öl/Flüssigkeitsbestandes 31 zu werden. Nach dem Fließen durch die Primärtrennvorrichtung 30 läuft der Hauptteil der abgetrennten Öl/Flüssigkeit 26 spiralförmig abwärts auf dem Innendurchmesser des Rückführzylinders 36 und vereinigt sich mit dem Flüssigkeitsbestand 31 in dem Druckbehälter 14. Das feuchte Gas 28 und zurückbleibende mitgerissene Öl/Flüssigkeitströpfchen 29 treten in die Sekundärtrennvorrichtung 50 ein, wo die Öl/Flüssigkeit 29 von dem feuchten Gas 28 zentrifugal abgetrennt wird. Die abgetrennte Öl/Flüssigkeit 29 kehrt zurück unter Bildung eines Teils des Flüssigkeitsbestandes 31 über das Ablaufrohr 52, und der flüssigkeitsfreie Dampf oder Austrittsgas 20 verläßt den Druckkessel 14, wie in Fig. 1 gezeigt.
Die Primärtrennvorrichtung 30 hat mehrere Vorteile. Der erste besteht darin, daß der Hauptteil der Trennprozesse in den gekrümmten Armen 34 stattfindet. Dies versetzt das Verfahren inhärent in die Lage, sich einem weiten Bereich von Fließ- und Level-Bedingungen anzupassen, und minimiert die Möglichkeit eines Mitreißens von Gas und eines daraus resultierenden Anschwellens des Bestandes 31 des Druckbehälters 14. Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die relativ großen Fließdurchgänge der gekrümmten Arme 34 die Gefahr eines Verstopfens im wesentlichen ausschließen, da es keine engen Spalte gibt, die Ablagerungen anziehen könnten. Das Ergebnis ist eine Primärtrennvorrichtung 30 mit geringem Druckabfall und hoher Leistung, die eine lange Lebensdauer mit Wartungsfreiheit hat.
Die Sekundärtrennvorrichtung 50 arbeitet auch mit dem Prinzip der Zentrifugaltrennung. Das feuchte Gas 28 tritt in die Sekundärtrennvorrichtung 50 durch tangentiale Leitschaufeln 54 am Boden der Sekundärtrennvorrichtung 50 ein, welche dem feuchten Gas 28 eine Zentrifugalbewegung verleihen. In dem feuchten Gas 28 verbleibende Flüssigkeit wird dann zu der Innenwand der Sekundärtrennvorrichtung 50 gezwungen, wo sie durch Sekundärskimmerschlitze 56 abgetrennt wird, durch einen Sekundärauslaß 57 austritt und in ein Sekundärabteil 58 (Fig. 1) überläuft. Die Sekundärtrennvorrichtung(en) 50 würden typischerweise durch eine Platte 60 eingesetzt und von dieser getragen werden, mit welcher auch Ablaufrohre 52 verbunden wären. Bypasslöcher 62 sind in einer oberen Platte 64 eines Tertiärabteils 59 angeordnet, um einen Gasbypass durch die Sekundärskimmerschlitze 56 zu gestatten, um das Tertiärabteil 59 zu verlassen und die Skimmerwirkung zu verbessern. Die abgetrennte Öl/Flüssigkeit 29 läuft dann über das Ablaufrohr 52 zurück in den unteren Teil des Druckbehälters 14 und wird ein Teil des Flüssigkeitsbestandes 31 des Hauptdruckbehälters. Das Ablaufrohr 52 isoliert die rückkehrende abgetrennte Öl/Flüssigkeit 29 von dem aufwärts strömenden feuchten Gasfluß 28 und vermeidet das Wiedermitreißen der abgetrennten Öl/Flüssigkeit 29 durch das aufwärts strömende feuchte Gas 28.
Die Sekundärtrennvorrichtung 50 mit Zentrifugalkraftzyklon hat einen ihr eigenen Vorteil gegenüber Gaswäscher- oder Siebtrocknern. Sowohl Gaswäschertrockner als auch Trockner vom Siebtyp sind in der Strömungskapazität durch die Tröpfchenmitreißschwelle begrenzt, jenseits derer Flüssigkeitströpfchen mit dem Dampf mitgerissen und mitgetragen werden. Die Sekundärtrennvorrichtung 50 mit Zentrifugalkraftzyklon kann andererseits wirksam bei Dampfdurchsätzen arbeiten, die typischerweise zwei- bis dreimal höher als die Tröpfchenmitreißschwelle sind.
Fig. 3 erläutert eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine zentrifugale Gas/Öl-Trennvorrichtung 70 mit einem einzelnen Paar für Unterwasseranwendungen umfaßt. Bei dieser Ausführungsform wird der Druckbehälter 14 von einem Rohr oder einer Leitung 72 unterstützt und ist teilweise in ihr enthalten, und dieses Rohr oder diese Leitung ist teilweise in Wasser 74 eingebettet. Der Druckbehälter 14 enthält, wie in Fig. 4 gezeigt, einen radialen Seitenbohrlochkopffluideinlaß 76, um Bohrlochkopffluide 12 in den Behälter 14 einzulassen, wie auch einen Öl/Flüssigkeitsauslaß 78 zur Beförderung des abgetrennten Öls oder der abgetrennten Flüssigkeiten 24 aus dem Druckbehälter 14 und einen Gasauslaß 78 zur Beförderung der abgetrennten Gase 20 aus dem Druckbehälter 14. Die Höhe 82 zwischen dem Gasauslaß 80 und dem oberen Ende der Leitung 72 beträgt vorzugsweise etwa 1,5 m (5 Fuß). Die Höhe 84 des Rückkehrzylinders 36 hängt von dem Bestand und den Levelsteuererfordernissen ab.
Fig. 6 erläutert die Leistungscharakteristiken eines Zentrifugaltrennvorrichtungspaares mit einem einzigen Modul in einer Wasserdampf/Wasserumgebung. Die Ergebnisse eines Wasserdampf/Wassertests bei 880 psia Testdruck wurden verwendet, um die Gas/Öl-Trennvorrichtungsleistung vorsichtig zu schätzen. Diese Schätzungen schlagen vor, daß ein einzelnes Zentrifugaltrennvorrichtungspaar (eine Primär- und eine Sekundärtrennvorrichtung) wirksam über 43.000 Barrel je Tag (BPD) Öl und über 20 Millionen Standardkubikfuß je Tag (20.000.000 SCFD oder 20 MMSCFD) Gas für Hochdruckanwendungen (etwa 100 psia) und über 34.000 BPD Öl und 15 MMDCFD Gas für Niederdruckanwendungen (etwa 250 psia) wirksam trennen kann. Die Spitzenproduktion für ein typisches mit Wasser angetriebenes Bohrlochfeld liegt bei etwa 25.000 BPD und 14 MMSCFD.
Die vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Systeme sind nachfolgend angegeben und zusammengestellt:
1. Ein einzigartiges Merkmal ist die Verwendung von Trennvorrichtungen vom Zentrifugaltyp sowohl für die Primär- als auch die Sekundärtrennstufen. Andere Trennvorrichtungsanordnungen beruhen typischerweise auf der Schwerkraft- oder Trägheitstrennung, die in der Flußkapazität durch die Tröpfchenmitreißschwelle begrenzt ist, jenseits welcher Flüssigkeitströpfchen mit dem Dampf mitgerissen und abstromwärts getragen werden. Im Gegensatz dazu ist die Sekundärtrennvorrichtung des vorliegen den Systems eine Zentrifugaltyptrennvorrichtung, die wirksam bei Dampfdurchsätzen arbeiten kann, welche wesentlich höher als die Mitreißschwelle sind.
2. Die Kompaktheit der vorliegenden Systeme ist auch vorteilhaft. Die Trennungsumhüllung, die für eine zentrifugale Gas/Öl-Trennvorrichtungsanordnung mit einem einzigen Modul erforderlich ist, ist etwa 1,2 m (4 Fuß) lang bei 0,6 m (2 Fuß) im Durchmesser. Das Volumen einer zusätzlichen Trommel oder eines zusätzlichen Druckbehältes 14 kann erforderlich sein, um anderen Systemparametern, wie den Bestandserfordernissen und Flüssigkeitsspiegelsteuererfordernissen zu genügen. Eine Pumpe 86 zum Pumpen abgetrennter Flüssigkeiten und eine Entfernung von Sand 90 aus dem Flüssigkeitsbestand 31, wie eine Sandtrennvorrichtung oder -pumpe, die schematisch bei 88 angegeben ist, kann in die Gas/Öl-Trennvorrichtungsanordnung 70 für bestimmte Anwendungen eingefügt werden, wie in Fig. 3 gezeigt ist.
3. Ein anderes Merkmal des vorliegenden Systems ist die Art und Weise, in welcher die Zentrifugalkräfte in der Primärtrennvorrichtung 30 erzeugt werden. Die Zentrifugalkraft entwickelt sich, wenn das Gemisch sich um 90º aus dem Steigrohr 32 dreht und durch die gekrümmten Arme 34 ausströmt. Dieses Merkmal erlaubt es, daß das zweiphasige Bohrlochkopffluidgemisch 12 in den Druckbehälter 14 entweder durch einen unteren axialen Einlaß zu dem Steigrohr 32 (Fig. 1) oder durch einen seitlichen Radialeinlaß zu dem Steigrohr 32 (Fig. 3) eintritt, was zu einer Gestaltungsflexibilität für die Einführung der Bohrlochkopffluide 12 in die Gas/Öl-Trennvorrichtungsanordnungen 10, 70 führt. Andere bekannte Trennvorrichtungsgestaltungen, die für Gas/Öl- Anwendungen verwendet werden, beruhen auf einem radialen oder tangentialen Einlaß in die Primärtrennvorrichtung, um die Zentrifugalkräfte zu erzeugen.
Die kompakten hochwirksamen Gas/Öl-Trennvorrichtungsanordnungen 10, 70 bieten mehrere Vorteile im Vergleich mit bekannten Gestaltungen. Diese Vorteile schließen eine hohe Dampfkapazität, eine kompakte Anordnung und Wartungsfreiheit der Trennvorrichtung ein.
Ein anderer Vorteil besteht darin, daß die Primär- und Sekundär-Zentrifugal-Trennvorrichtungen 30, 50 keine beweglichen Teile und keine kleinen Durchlässe haben. Dies schaltet die Möglichkeit für Geräteverstopfung aus und ergibt einen zuverlässigen wartungsfreien Dauerbetrieb, welcher extrem vorteilhaft für Unterwasser-Gas/Öl-Trennungen ist, wo der Zugang zu der Anlage für unplanmäßige Wartung sich als sehr kostspielig erwies.
Die Kompaktheit der vorliegenden Systeme ergibt wirtschaftliche Vorteile wegen der verminderten Investition für die anfängliche Herstellung der Anlage und wegen der verminderten Raumerfordernisse und/oder Hebekapazität, die erforderlich sind, um die Anlage oben oder unter Wasser zu installieren.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und im einzelnen be schrieben wurden, um die Anwendung der Prinzipien der Erfindung zu erläutern, ist doch verständlich, daß die Erfindung auch anderweitig ohne Verlassen des Erfindungsgedankens, wie er in den beiliegenden Ansprüchen definiert ist, ausgeführt werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zur Abtrennung einer Öl/Flüssigkeitsphase von einer Gasphase, die in einem Bohrlochkopffluid aus einem Kohlenwasserstoffproduktionssystem enthalten ist, mit:

einem Behältnis (14), das unter Druck gesetzt werden kann und einen Bohrlochkopffluideinlaß (16) zur Verbindung mit dem Kohlenwasserstoffproduktionssystem für einen Eintritt von Bohrlochkopffluid (12), einen Gasaustrittauslaß (18) für den Austritt von Auslaßgas (20), das von dem Bohrlochkopffluid abgetrennt wurde, und einen Öl/Flüssigkeitsaustrittsauslaß (22) zum Austritt von Öl/Flüssigkeit (24), die von dem Bohrlochkopffluid abgetrennt wurden, hat,

einem Öl/Flüssigkeits-Hauptspeicherabteil (31) an einem unteren Ende des Behältnisses (14), wobei der Öl/Flüssigkeitsaustrittsauslaß (22) mit dem Speicherabteil (31), einem Sekundärabteil (58) am oberen Ende des Behältnisses und einer Einrichtung (52) zur Verbindung des Speicherabteils und des Sekundärabteils (31, 58) miteinander in Verbindung steht,

einer Primärzentrifugentrenneinrichtung (30) in dem Behältnis (14) zur Abtrennung eines Hauptteils der Öl/Flüssigkeitsphase von dem Bohrlochkopffluid (12), um eine feuchte Gasphase zurückzulassen, wobei die Primärzentrifugentrenneinrichtung (30) ein Steigrohr (32) mit einem offenen unteren Ende hat, das mit dem Bohrlochkopffluideinlaß (16) zur Aufnahme von aufwärts strömendem Bohrlochkopffluid (12) in Verbindung steht, das Steigrohr (32) ein geschlossenes oberes Ende hat, mehrere gekrümmte Arme (34) im Abstand voneinander um das Steigrohr (32) angeordnet sind, um einen Hauptteil der Öl/Flüssigkeitsphase dazu zu bringen, sich von dem Bohrlochkopffluid (12) abzutrennen, um die feuchte Gasphase zu hinterlassen, jeder gekrümmte Arm (34) eine sich axial erstreckende gekrümmte Wand hat, die von dem Steigrohr (32) weg zwischen einer Fußkante der gekrümmten Wand an dem Steigrohr (32) und einer Außenkante der gekrümmten Wand im Abstand nach außen von dem Steigrohr (32) gekrümmt ist, wenigstens eine radiale Trennwand in dem gekrümmten Arm (34) vorgesehen ist, um einen inneren Raum zu teilen, der durch den gekrümmten Arm (34) in mehrere Höhen geteilt ist, die Primärzentrifugentrenneinrichtung (30) auch einen Rücklaufzylinder (36) um das Steigrohr (32) und die gekrümmten Arme (34) umfaßt, um durch Zentrifugalkraft von der Außenkante der gekrümmten Arme (34) sich nach außen bewegende Öl/Flüssigkeitsphase aufzunehmen, der Rücklaufzylinder (36) ein offenes unteres Ende hat, das sich in das Speicherabteil (31) erstreckt, um die Öl/Flüssigkeitsphase abwärts zu dem Speicherabteil (31)- zu tragen, und der Rückstromzylinder (36) ein offenes oberes Ende für den Durchtritt der feuchten Gasphase hat, und

einer Sekundärzentrifugentrenneinrichtung (50) in dem Behältnis (14) im Abstand oberhalb der und axial ausgerichtet mit der Primärzentrifugentrenneinrichtung (30) durch einen offenen Zwischenbereich (44), wobei die Sekundärzentrifugentrenneinrichtung (50) die feuchte Gasphase aufnimmt und mehrere tangentiale Einlaßflügel (54) umfaßt, in welche die feuchte Gasphase für weitere Abtrennung von Öl/Flüssigkeit von der feuchten Gasphase zur Hinterlassung einer trockenen Gasphase geht, die Sekundärzentrifugentrenneinrichtung (50) eine Abschäumeinrichtung (56) einschließt, die Abschäumschlitze oberhalb der Einlaßflügel (54) begrenzt, um die trockene Gasphase aufzunehmen und weitere abgetrennte Öl/Flüssigkeit abwärts in das Sekundärabteil (58) zu lenken, die weiter abgetrennte Öl/Flüssigkeit von dem Sekundärabteil (58) zu dem Speicherabteil (31) durch die Einrichtung (52) zur Verbindung des Speicher- und Sekundärabteils (31, 58) geht und die Abschäumeinrichtung (56) ein offenes oberes Ende (57) in Verbindung mit dem Gasaustrittsauslaß (18) hat, um die trockene Gasphase zu dem Gasaustrittsauslaß (18) zu führen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Rücklaufzylinder (36) mehrere Perforationen (38) um ihn herum oberhalb des Steigrohres (32) hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei dem ein Teil des Rücklaufzylinders (36), welcher die Perforationen (38) oberhalb des Steigrohres (32) trägt, etwa 380 bis 460 mm hoch ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei der das offene obere Ende des Rücklaufzylinders (36) eine radial nach innen sich erstreckende Lippe (40) hat, wobei das offene obere Ende (57) der Abschäumeinrichtung (56) auch eine radial sich nach innen erstreckende Lippe hat.

5. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche mit einer unteren Trägerplatte (60), die sich quer zu dem Behältnis (14) zwischen den Einlaßflügeln (54) und der Abschäumeinrichtung (56) erstreckt, wobei die Trägerplatte (60) eine untere Grenze des Sekundärabteils (58) definiert und die Einrichtung (52) für die Verbindung des Speicherabteils und des Sekundärabteils (31, 58) ein Rohr umfaßt, das in der Trägerplatte (60) mündet und sich zu dem Speicherabteil (31) erstreckt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5 mit einer oberen Platte (64) im Abstand oberhalb der Trägerplatte (60) und sich quer zu dem Behältnis (14) oberhalb der Abschäumeinrichtung (56) erstreckend, wobei das offene obere Ende der Abschäumeinrichtung (56) sich durch die obere Platte (64) und wenigstens ein Loch (62) in der oberen Platte (64) erstreckt, um abgetrennte Öl/Flüssigkeit, die oberhalb der oberen Platte (64) passiert, durch die obere Platte (64) zur Rückkehr zu dem Speicherabteil (31) aufzunehmen.

7. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei der der Öl/Flüssigkeitsaustrittsauslaß (22) sich durch eine Seite des Behältnisses (14) an einem unteren Ende des Behältnisses (14) erstreckt, welches mit dem Öl/Flüssigkeits-Hauptspeicherabteil (31) in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, in der der Abstand (46) zwischen dem oberen Ende der Abschäumeinrichtung (56) und dem unteren Ende der gekrümmten Arme (34) etwa 1,2 m ist.