ITFI20120071A1 - Apparato separatore per miscele gas-acqua-olio, e relativo processo di separazione - Google Patents

Description

APPARATO SEPARATORE PER MISCELE GAS-ACQUA-OLIO,

E RELATIVO PROCESSO DI SEPARAZIONE

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale al settore dell’estrazione di petrolio, e più in particolare ad un apparato per la separazione di miscele di gas, acqua e petrolio, installabile in superficie o a fondo mare per lo sfruttamento di pozzi sottomarini.

Esistono ad oggi migliaia di pozzi per l’estrazione di petrolio, sia in superficie sia sotto il mare, sfruttati in questo secondo caso grazie ad apposite piattaforme da dove l’estrazione à ̈ controllata in remoto e dove il petrolio viene raccolto ed eventualmente trattato prima di essere trasferito sulla terraferma.

La composizione del petrolio estratto può variare con l’età del giacimento: oltre al gas naturale, anche una quantità variabile di acqua à ̈ generalmente presente, ed essa aumenta all’aumentare dell’età del pozzo. E’ in superficie che in genere gas ed acqua vengono separati dal petrolio una volta estratto, per mezzo di separatori “trifasici†in grado cioà ̈ di separare le tre fasi presenti nella miscela - olio, acqua e gas - quindi gas ed acqua vengono raccolti ed eventualmente re-iniettati in pressione nel giacimento per mantenerne elevata la produttività.

I separatori trifasici convenzionali installati in superficie, sulla terraferma nei giacimenti a terra o in piattaforma nel caso dei giacimenti sottomarini, sono apparecchiature ingombranti, costituiti generalmente da contenitori cilindrici orizzontali di grandi dimensioni, con i quali à ̈ possibile appunto degassare e disidratare il petrolio greggio prima dell’esportazione dall’impianto per la successiva commercializzazione.

I separatori trifasici convenzionali sono generalmente separatori per gravità, che sfruttano la diversa densità dei tre componenti per separare la miscela: in pratica si lasciano stratificare l’acqua, più densa, sul fondo del contenitore e l’olio, meno denso, a formare uno strato sopra l’acqua, mentre il gas disperso nella miscela andrà a liberarsi nella zona sovrastante i due strati liquidi. Oltre all’ingombro, si può quindi immaginare come queste apparecchiature presentino anche lo svantaggio di avere un’efficienza di separazione piuttosto bassa se non per tempi di stazionamento molto lunghi.

Inoltre, nel caso di giacimenti sottomarini costituiti da una pluralità di pozzi, nelle applicazioni industriali un unico separatore viene solitamente alimentato da più pozzi. In questo caso, il separatore ha necessariamente grandi dimensioni, anche a causa della possibile presenza di “slug†liquidi nell’alimentazione, dove con il termine “slug†si intendono blocchi di liquidi alternati a gas che fuoriescono dal giacimento. Come à ̈ facilmente intuibile, separatori di questo tipo sono difficili sia da installare sia da gestire, e un loro potenziale collasso può costituire un rischio ambientale ed economico non sostenibile.

Resta pertanto sentita l’esigenza di disporre di apparecchiature per la separazione trifase che siano efficienti, compatte, di costo contenuto e che possano essere utilizzate in superficie, ma anche e soprattutto a fondo mare nel caso di giacimenti sottomarini. Il vantaggio di avere il separatore a fondo mare à ̈ notevole, poiché evita ad esempio di dover portare in superficie l’acqua estratta insieme al petrolio nel momento in cui sia possibile re-iniettare l’acqua prodotta in un apposito pozzo sottomarino dedicato alla re-iniezione dell’acqua.

Scopo della presente invenzione à ̈ quello di fornire un apparato per la separazione di miscele olio-acqua-gas adatto in particolare, ma non esclusivamente, all’utilizzo a fondo mare, strutturalmente semplice, di dimensioni contenute, economico, di buona efficienza nella separazione, senza richiedere lunghi tempi di stazionamento né particolari operazioni di manutenzione.

Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di fornire un processo semplice ed efficiente per la separazione di miscele trifasiche olio-acqua-gas che consenta di recuperare, al termine della separazione, acqua pulita con un contenuto di olio inferiore al limite richiesto per la re-immissione dell’acqua a fondo pozzo.

Ancora ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ quello di fornire un sistema modulare per la separazione di miscele olio-acqua-gas provenienti da una pluralità di pozzi, adatto in particolare, ma non esclusivamente, all’utilizzo a fondo mare, strutturalmente semplice ed economico, costituito da più separatori di dimensioni contenute, che presentino le caratteristiche sopra ricordate di semplice gestione ed installazione, nonché di elevata efficienza nella separazione senza richiedere lunghi tempi di stazionamento né particolari operazioni di manutenzione.

Tali scopi vengono raggiunti dall’apparato secondo la presente invenzione, dal processo di separazione che utilizza tale apparato, e dal sistema modulare comprendente due o più apparati secondo l’invenzione posti in collegamento fluido tra loro, le cui caratteristiche essenziali sono definite nelle rivendicazioni indipendenti qui annesse.

Ulteriori importanti caratteristiche sono contenute nelle rivendicazioni dipendenti. Le caratteristiche e i vantaggi dell’apparato separatore dell’invenzione e del relativo processo risulteranno più chiaramente dalla descrizione che segue di una sua forma realizzativa fatta a titolo esemplificativo e non limitativo con riferimento ai disegni annessi in cui:

- la figura 1 mostra una vista in sezione di una forma realizzativa dell’apparato secondo l'invenzione;

- la figura 2 mostra un particolare dell’apparato di figura 1;

- la figura 3 mostra un sistema modulare secondo l’invenzione costituito da quattro apparati separatori in collegamento fluido tra loro, alimentati da una pluralità di pozzi.

Con riferimento a dette figure, un apparato secondo l'invenzione comprende un corpo principale 1 comprendente un serbatoio verticale 2 di forma essenzialmente cilindrica, munito di un ingresso 3 della miscela olio-acqua-gas A da trattare, disposto in una parte inferiore 4 del serbatoio, e di almeno un’uscita 5 per la fuoriuscita del gas collocata in una parte superiore 6 del serbatoio.

L'ingresso 3 dell'apparato secondo l'invenzione ha una conformazione tale da permettere una distribuzione uniforme della miscela trifasica olio-acqua-gas verso la parte superiore 6 del corpo 1, da cui il gas fuoriesce e la miscela liquida olio-acqua viene lasciata ricadere verso il basso. Ad esempio l'ingresso 3 à ̈ costituito da un ingresso, di tipo noto, tangenziale rispetto al corpo 1 in cui si realizzano nella parte superiore 6 del corpo 1 le condizioni di flusso tipiche dei separatori gas-liquido di tipo ciclonico. In alternativa agli ingressi di tipo noto, l’ingresso 3 può essere al centro del corpo 1, come in Figura 1, costituito da un primo tratto 3a orizzontale e da un secondo tratto 3b verticale, diretto verso l’alto; con questo tipo di ingresso, la porzione finale del tratto verticale 3b ha preferibilmente diametro aumentato rispetto alla porzione iniziale dello stesso tratto verticale, passando ad esempio da 4†a 8†, in modo da realizzare una separazione preliminare della fase gassosa dalle due fasi liquide, e nel contempo diminuire sensibilmente la quantità di moto della miscela alimentata al separatore. Nelle figure 1 e 2 una ulteriore porzione del tratto verticale a diametro aumentato à ̈ indicata come 3c, ed à ̈ realizzata con un tubo di diametro maggiore rispetto al tratto 3b, ad esempio 10†, e di lunghezza pari a 2-3 volte il diametro. La sezione superiore del tratto 3c à ̈ chiusa da una parete piana 3d, o in alternativa da una testa bombata. Al di sotto della testa, su detta sezione di tubo 3c sono praticate radialmente una serie di perforazioni 3e, che permettono la fuoriuscita del gas in direzione radiale. Le due fasi liquide separate dal gas fuoriescono attraverso la sezione anulare 9, formata tra il tratto finale della sezione verticale di alimentazione 3b e la sezione di tubo 3c a diametro maggiore, posta al di sopra.

Indipendentemente dal tipo di alimentazione del separatore (con ingresso tangenziale o centrale come sopra descritti) nella parte inferiore 4 del serbatoio 2 à ̈ disposta almeno un’uscita 7 per l’acqua pulita da re-iniettare in un pozzo sottomarino dedicato, mentre in una zona intermedia tra la parte superiore 6 e la parte superiore 4 à ̈ collocata almeno un’uscita 8 per l’olio ottenuto dalla separazione.

Questa zona intermedia del serbatoio ospita inoltre un condotto 10 di forma sostanzialmente cilindrica e diametro inferiore a quello del serbatoio 2 che, con le pareti interne del serbatoio, crea un’intercapedine 11. Al di sopra del condotto 10 à ̈ collocato una sorta di imbuto 12 per il convogliamento nel condotto stesso, attraverso una apertura anulare 12a formata tra l’imbuto 12 e la porzione del tratto verticale 3c, visibile in figura 2, della miscela liquida che eventualmente si separa nella parte superiore 6 del serbatoio, lasciando allo stesso tempo la parte superiore 6 e la parte inferiore 4 del serbatoio in comunicazione fluida. Il condotto 10, riempito di liquido fino in corrispondenza dell’uscita 8, crea un percorso obbligato per la miscela liquida in ingresso che entra necessariamente nel condotto 10 e ne fuoriesce attraverso un’apertura 13 che funge da uscita nella parte inferiore 4 del serbatoio.

In una particolare forma realizzativa, il condotto 10 può essere munito di una o più serie di fenditure 14, preferibilmente di forma e dimensioni uguali tra loro, disposte a distanza regolare una dall’altra, e tutte alla stessa altezza del condotto 10. Ogni serie di fenditure 14 mette in comunicazione l’interno del condotto 10 con l’intercapedine 11, permettendo la fuoriuscita della miscela anche a livello delle fenditure, oltre che dall’uscita 13.

La presenza della serie di fenditure 14, preferibilmente a circa 2/3 dell’altezza del condotto 10, consente la fuoriuscita del liquido ad una certa altezza, come spiegato più in dettaglio nel seguito e può contribuire a mantenere vantaggiosamente il flusso all’interno del condotto regolare e sufficientemente lento da consentire una efficiente separazione per sola gravità delle tre componenti la miscela di partenza.

Secondo una particolare forma di realizzazione dell’invenzione, l’area di passaggio del liquido nel condotto 10 può essere di valore comparabile all’area di passaggio nell’intercapedine 11. Inoltre le fenditure 14 possono avere ad esempio ciascuna larghezza compresa tra 1 e 2 cm, e preferibilmente pari a 1,5 cm, ed altezza pari a circa 3 volte la larghezza.

Secondo una particolare configurazione del presente apparato separatore, come indicato nelle figure 1 e 2, al di sotto del condotto 10 può essere collocata una sezione di forma tronco-conica 15, che può avere un duplice funzione, convogliare verso la parete dell'apparato separatore il flusso di liquido che scende dal condotto 10, e raccogliere le gocce di olio che risalgono nella parte inferiore del separatore in controcorrente rispetto alla fase acquosa e tramite una serie di condotti 16 permettere all’olio così raccolto di confluire nell'intercapedine 11.

Sulla sezione di forma tronco-conica 15 si innestano i condotti 16 che mettono la parte inferiore 4 del serbatoio in comunicazione fluida con l’intercapedine 11.

Al di sotto della sezione tronco-conica 15 potrà essere presente un separatore secondario, in grado di effettuare la separazione per coalescenza o per gravità, o una tubazione 17, dotata di opportune perforazioni 18, che permetta una distribuzione ottimale delle velocità della fase acquosa all’interno del separatore. Tale tubo centrale 17 può avere un diametro da 1/3 ad 1/5 del diametro del corpo 1 separatore ed una altezza pari ad 1-5 volte il diametro del corpo 1 del separatore. La tubazione 17 così configurata permette una distribuzione ottimale delle velocità della fase acquosa all’interno del separatore, e al contempo una significativa diminuzione della velocità di discesa dell’acqua dal separatore.

A titolo di esempio, se si assume il diametro del separatore pari a D=600 mm per una generica portata di acqua in uscita Q, in assenza di tubazione la velocità media di discesa dell’acqua à ̈:

(1)

In presenza di una tubazione di diametro d=1/3D, e di altezza H=3D, la velocità à ̈

(2)

La velocità in presenza di tubazione ricavata secondo l’equazione (2) à ̈ minore della velocità in assenza di tubazione secondo la (1). La presenza della tubazione comporta quindi un aumento del tempo di residenza dell’acqua nella parte inferiore 4 del separatore, che favorisce l’ulteriore separazione per gravità dell’olio dall’acqua in questa zona. La forma di realizzazione del separatore dell’invenzione comprendente il tubo centrale 17 unisce alla semplicità costruttiva i suddetti vantaggi tecnici, che la rendono pertanto una forma preferita del presente dispositivo separatore.

Con l’apparato sopra descritto la separazione della componente gassosa avviene nella parte superiore 6 del serbatoio per gravità, con la maggior parte della componente gassosa che lascia la fase liquida fuoriuscendo radialmente dalle perforazioni 3e ed andando a riempire la parte superiore del serbatoio in cui si trova l’apposita uscita 5. Le due fasi liquide scendono dalla sezione superiore 6 del separatore nel condotto 10. Le bollicine di gas che inizialmente possono restare intrappolate nella fase liquida, che fluisce verso il basso, continuano a fuoriuscire dal liquido grazie alla velocità di flusso della miscela liquida, mantenuta a valori anche molto inferiori a 0,1 m/s.

Questi valori della velocità di discesa del liquido, oltre che consentire il disingaggio delle bolle di gas trascinate verso il basso dal liquido, permettono anche lo stabilirsi di una significativa differenza delle velocità (in direzione verticale discendente) delle due fasi liquide nel caso che la dispersione di acqua in olio, ovvero di olio in acqua, non sia particolarmente fine.

E’ infatti noto dalla letteratura scientifica che la velocità terminale di una goccia di liquido che si muove in un secondo liquido di densità diversa à ̈ data dall’espressione:

0.25

ïƒ¦ï „<ï ²>

U Sï€1⁄2<1.5><><>(3)

ï ²2 gï ³

ïƒ ̈ ïƒ ̧

dove Î”Ï Ã ̈ la differenza di densità tra i liquidi, Ï la densità del liquido che costituisce la fase continua, σ la tensione interfacciale del liquido che costituisce la goccia, g l’accelerazione di gravità. L'espressione (3) vale per gocce di diametro maggiore di 3-5 mm e per questi diametri dà un valore di velocità indipendente dal diametro; si applica pertanto solo al caso di dispersioni abbastanza grossolane, per esempio di acqua in olio. L'espressione (3) permette di calcolare una velocità pari a circa 0,18 m/s nel caso di una goccia di acqua (di densità 1000 kg/m<3>e tensione interfacciale di 0,07 N/m) che si muova in un olio di densità 800 Kg/m<3>.

Questa velocità diminuisce nel caso che la frazione in volume delle di gocce di acqua che si muovono verso il basso rispetto ad una fase oleosa sia apprezzabile, ma rimane comunque di valore significativamente superiore al valore della velocità media di discesa delle due fasi liquide nel condotto 10, valori che in separatori di questo tipo risulta, come già detto, anche di molto inferiore a 0,1 m/s. In queste condizioni, lo scorrimento tra le due fasi liquide permette di ottenere una loro significativa separazione preliminare nel condotto 10. Inoltre, anche nel caso di elevate frazioni in volume di acqua nel liquido alimentato all'apparato separatore, nel condotto si realizzano condizioni tali che la fase oleosa diventa la fase continua. Se a titolo di esempio si assume che la velocità media della miscela UMverso il basso risulti pari a 0,08 m/s e la velocità relativa di un insieme di gocce di acqua rispetto alla fase oleosa sia pari a 0,12 m/s, risulta possibile calcolare per varie frazioni del rapporto acqua/liquido totale in ingresso al separatore, la concentrazione di acqua nell’olio presente nel condotto 10. Chiamato WAla portata in m<3>/s ed αAla frazione dell’acqua nel condotto 10, WOe αOla portata e frazione di olio, A la sezione del serbatoio, risulta

WUA W

<A>ï€1⁄2 ,UO , (4)

ï ¡ A A Oï€1⁄2

ï ¡ O A

dove UAe UOsono le velocità medie dell’acqua e dell’olio nel condotto 10. La velocità relativa tra le fasi liquide à ̈ pertanto data dalla seguente espressione (5):

UAï€UOï€1⁄2 US(5)

Dalle espressioni (2) e (3), si ricava per αA

2

 U

1S <>U S U

< >A (6)

Mïƒ ̧ ïƒ ̈U Mïƒ ̧U M

ï ¡ Aï€1⁄2ïƒ ̈U<ï€><>1<>S

< ï€>4

U

2 S

U M

dove ЄAà ̈ la frazione di acqua in alimentazione al separatore.

In Tabella A sono riportati i risultati ottenuti per i tre casi WA=25%, 50% e 75% del liquido totale:

Tabella A<(UM = 0,08 m/s , US = 0,12 m/s)>

w a

wa  w o αAUA(m/s) UO(m/s)

0,25 0,11 0,19 0,07

0,5 0,23 0,17 0,05

0,75 0,39 0,15 0,03

Come si può notare, in tutti i casi considerati, la frazione in volume di acquaï ¡Anel condotto 10 à ̈ inferiore al 50% della frazione di acqua in ingresso. Questo dato conferma che nel condotto 10 l’olio rappresenta la fase continua e che nel moto equicorrente discendente delle due fasi liquide si realizza una separazione significativa tra loro. Inoltre, al diminuire della velocità media di discesa delle due fasi liquide (UM) nel condotto 10, per esempio a parità di portata delle due fasi liquide utilizzando un separatore di diametro maggiore, diminuisce la frazione di acqua in olioï ¡Acalcolata secondo l'espressione (4) sopra riportata. Per esempio per UM= 0,04 m/s e US= 0,12 come nel caso precedente, si trova per una frazione di acqua in alimentazione pari a 0,5, αA= 0,14. Questo valore à ̈ molto minore del valore αA= 0,23, riportato in Tabella A per UM= 0,08. In realtà a valori più bassi della frazione di acqua αA, il valore di UStende ad aumentare e l’effetto complessivo di un aumento di diametro del condotto 10 viene accentuato, secondo l'espressione (6), da un aumento di US.

La separazione equicorrente delle due fasi liquide oggetto della presente invenzione rappresenta un’importante differenza rispetto ai sistemi convenzionali di separazione di due liquidi per gravità, sia orizzontali sia verticali. Infatti in questi apparati convenzionali i due liquidi si muovono con una componente di velocità in direzione orizzontale, ma con moto in controcorrente in direzione verticale, con la fase pesante che si muove in direzione discendente e la fase leggera in direzione ascendente. Nell’apparato oggetto della presente invenzione, le condizioni di flusso contro-corrente sopra descritte, relative ai separatori convenzionali, si realizzano all’uscita del condotto 10 oppure, nella forma realizzativa preferita del presente separatore in cui sono presenti le fenditure 14, sia all’uscita del condotto 10 sia nella serie di fenditure 14 praticate nel condotto 10, solo dopo che all’interno del condotto stesso à ̈ stata realizzata una significativa separazione primaria tra le due fasi liquide in moto equicorrente tra loro, ossia nella stessa direzione, sia pure a velocità di discesa apprezzabilmente diverse. All’uscita dal condotto 10 (oppure sia all’uscita dal condotto 10 sia in una o più uscite laterali costituite da una o più serie di fenditure 14 praticate sulla parte esterna del condotto 10) le due fasi liquide si separano, con la fase liquida di minore densità che fluisce verso l’alto in una apposita sezione anulare di raccolta della fase a densità minore (ad esempio olio, o miscele olio/acqua ricche in olio), e la fase liquida di maggiore densità (ad esempio acqua, o miscele acqua/olio ricche in acqua) che continua a scendere nel corpo cilindrico principale del separatore, verso la parte inferiore 4 del serbatoio.

Come avviene anche nei separatori convenzionali, sia il liquido più leggero che si muove verso l’alto, sia il liquido più pesante che si muove verso il basso tendono a trascinare gocce disperse dell'altro liquido. Rispetto alla velocità delle due fasi liquide nel condotto 10 (UL< 0,1 m/s), le velocità dei due liquidi all’uscita del condotto diminuisce in modo apprezzabile. Per esempio, se le portate in volume dei due liquidi sono uguali e se le sezioni di passaggio condotto 10 e della sezione anulare di raccolta della fase liquida leggera sono anch’esse uguali, le velocità dei due liquidi dopo la separazione primaria assumono un valore pari ad 1/4 della velocità iniziale (UL1, UL2= 0,025 m/s per UM= 0,08 m/s).

A queste velocità il diametro (DP) delle gocce di olio trascinate dall’acqua e delle gocce di acqua trascinate da un olio di bassa viscosità risulta apprezzabilmente inferiore al valore per il quale à ̈ valida l'espressione (3) sopra riportata, e può essere ricavato dall’equazione di Stokes

D<18 U>Lï

P ï€1⁄2<L>(7)

g ï „ï ²

dove ULà ̈ la velocità della fase continua,ï Là ̈ la viscosità del liquido che costituisce la fase continua e Î”Ï Ã ̈ la differenza di densità tra i due liquidi. Per UL= 0,025 m/s, Î1⁄4L= 10<-3>Pa·s e Î”Ï = 200, dall'equazione (7) si ricava DP≈0,5 mm. In queste condizioni l’efficienza della separazione dipende dalla frazione in volume di gocce di olio in acqua, ovvero di gocce di acqua in olio, di diametro inferiore a 0,5 mm. Per dispersioni sufficientemente grossolane, questa frazione può anche essere molto limitata. Questo in particolare avviene se le due fasi liquide non hanno subito rilevanti variazioni di pressione attraversando una valvola di controllo, ovvero un sistema di pompaggio. Per quel che riguarda la fase liquida più pesante, ossia l'acqua nel caso della separazione olio/acqua sopra descritta, può essere inoltre previsto un sistema di separazione secondaria che porti l’acqua ai valori richiesti per la sua re-iniezione.

L’area di flusso della miscela dei due liquidi in uscita dal condotto 10 aumenta in modo significativo. L’acqua, anche grazie alla sua maggiore inerzia, prosegue nel suo moto in direzione discendente, mentre l'olio, che costituisce la fase continua e si muove più lentamente dell’acqua, risale nell'intercapedine 11 verso l'uscita 8. Il sistema di controllo di livello previsto in questo apparato permette di collocare l’interfaccia tra una fase liquida ricca di olio (αO> 0,98) ed una fase liquida ricca di acqua (αA> 0,98) al di sotto della sezione di uscita del condotto 10, come illustrato in figura 1.

A valle della separazione della miscela olio-acqua condotta come sopra descritto per gravità, l’acqua in uscita può essere direttamente re-inviata per mezzo di una pompa ad un pozzo di re-iniezione dell’acqua oppure, se necessita di un’ulteriore separazione dalla componente oleosa, viene sottoposta ad un'ulteriore separazione in un dispositivo di separazione secondario disposto nella parte inferiore 4 del serbatoio; tale dispositivo può essere ad esempio un separatore convenzionale a coalescenza o altro analogo dispositivo. In alternativa al separatore secondario, nella parte inferiore 4 del separatore può essere collocata ad esempio la tubazione 17 sopra descritta.

Con O Ã ̈ indicato in figura 2 il flusso di olio che risale verso l'alto proveniente dal separatore secondario.

Con riferimento al la Figura 2, nel la parte superiore 6 del serbatoio à ̈ preferibilmente collocato un denebulizzatore 19, o altro analogo dispositivo avente la funzione di favorire la separazione delle gocce di liquido eventualmente trascinate verso l’alto dalla corrente gassosa indicata con B1, e farle ricadere verso il basso dove vanno a riunirsi alla miscela liquida per l’entrata nel condotto 10. Con GL à ̈ indicata in figura 2 l'interfaccia gas-liquido.

Sempre con riferimento alla Figura 2, con G à ̈ indicato il flusso di gas in uscita dal separatore, e con B2 il flusso di miscela ricca in olio in uscita dal separatore, flussi che possono riunirsi in un unico flusso B come in figura, o essere direzionati a contenitori di stoccaggio diversi tramite tubazioni diverse per eventuali ulteriori trattamenti. Con B3à ̈ indicato il flusso di acqua in uscita dal separatore. Le portate dei flussi B1e B2(prima dell’eventuale riunificazione nel flusso B) possono essere determinate con opportuni strumenti di misura installati all’uscita dall'apparato separatore.

L’apparato separatore secondo l’invenzione ha dimensioni e forma che lo rendono particolarmente compatto ed eventualmente adatto ad esempio all’interramento della sua parte inferiore in un secondo pozzo di profondità molto limitata, perforato nella zona adiacente alla testa del pozzo di produzione. Il presente apparato à ̈ inoltre utilizzabile in particolare, ma non solo, come separatore da collocarsi a fondo mare in pozzi sottomarini, ossia come separatore cosiddetto “subsea†.

I flussi in uscita dal presente apparato possono essere controllati attraverso un sistema di controllo convenzionale, che controlla pressione e livelli dei liquidi in uscita prima di essere convogliati in condutture separate per la re-iniezione in giacimento ed il trasporto ai relativi impianti di stoccaggio. Nel caso in cui l’apparato abbia il solo scopo di recuperare acqua pulita per la re-iniezione, e olio e gas possano essere re-immessi in un’unica conduttura per la successiva lavorazione, come mostrato in figura 1, allora due valvole di controllo 20,21 regoleranno il flusso B in uscita di gas ed olio e, rispettivamente, il flusso C di acqua in uscita dal separatore. La valvola 20 ha anche la funzione di regolare la pressione all’interno del serbatoio. Sempre con riferimento alla figura 1, una pompa 22 à ̈ compresa nel sistema di controllo per la re-iniezione dell’acqua; la velocità di aspirazione della pompa à ̈ regolata dalla valvola 21 sulla base delle informazioni ricevute dal sistema di controllo 23 dell’interfaccia olio-acqua nel condotto 10: in questo modo, la posizione dell’interfaccia olio-acqua e quindi l’efficienza della separazione stessa possono essere ulteriormente controllate attraverso il pompaggio controllato dell’acqua pulita in uscita dal separatore.

Nell’ambito della presente invenzione con l’espressione “acqua pulita†per la reiniezione si intende l’acqua con un contenuto di olio inferiore, per esempio, ai 100 ppm, avente perciò le caratteristiche richieste per essere re-immessa a fondo pozzo.

Con l’apparato sopra descritto può essere messo in atto un processo di separazione trifase di miscele acqua-olio-gas, comprendente la separazione per gravità della miscela liquida dal gas in una parte superiore di un serbatoio munita di uscita per il gas, e la separazione per gravità della miscela liquida acqua-olio sostanzialmente libera da gas così ottenuta, mediante passaggio a velocità controllata della miscela stessa in un condotto verticale 10 posto in una zona intermedia di detto serbatoio, di forma sostanzialmente cilindrica e diametro inferiore al diametro interno del serbatoio in modo da creare un’intercapedine 11, detto condotto 10 essendo opzionalmente munito di una serie di fenditure parallele 14, preferibilmente di forma e dimensioni uguali tra loro, disposte a distanza regolare una dall’altra, che mettono in comunicazione l’interno del condotto 10 con l’intercapedine 11, così che le miscele olio-acqua fuoriescono dal condotto 10 attraverso un’uscita 13 verso il basso del serbatoio, con l’acqua che prosegue nel suo moto in direzione discendente così che miscele ricche in acqua sono raccolte nella parte bassa del serbatoio ed eventualmente indirizzate ad un separatore secondario per una ulteriore separazione prima della re-immissione, mentre l'olio tende a risalire nell'intercapedine 11 così che miscele ricche in olio sono convogliate verso un’uscita 8 nella zona intermedia del serbatoio. Nel caso in cui siano presenti le fenditure 14 sul condotto 10, miscele olioacqua ricche in olio fuoriescono da dette fenditure, mentre miscele olio-acqua ricche in acqua fuoriescono dal condotto attraverso un’uscita 13 verso il basso del serbatoio, da cui sono eventualmente indirizzate ad un separatore secondario per una ulteriore separazione prima della re-immissione a fondo pozzo.

Le dimensioni del separatore risultano ridotte nel caso in cui le tre fasi alimentate al separatore non siano finemente disperse e possono essere ulteriormente ridotte se si conduce una separazione soltanto parziale del gas dalle fasi liquide e dell’acqua dall’olio, fermo restando che la separazione dell’olio dall’acqua da inviare alla reiniezione può essere spinta fino a concentrazioni molto basse (es. < 100 ppm). A tal fine al presente apparato separatore trifasico può essere utilmente associato un apparato di separazione secondario dell’olio non separato dall’acqua. L’apparato proposto risulta particolarmente, ma non esclusivamente, conveniente nel caso in cui non sia necessario trattare dispersioni fini e sia possibile effettuare una separazione parziale delle fasi, fatta salva, se richiesta, un’elevata purezza dell’acqua da inviare alla re-iniezione.

Nell’ambito della presente invenzione per “miscela acqua-olio sostanzialmente libera da gas†si intende una miscela liquida olio-acqua contenente una quantità di gas inferiore all'1%, con l’espressione “miscele olio-acqua ricche in olio†si intendono miscele olio-acqua in cui la quantità di acqua à ̈ inferiore al 2% e con “miscele olioacqua ricche in acqua†si intendono miscele in cui la quantità di olio à ̈ inferiore al 2%.

Nel processo secondo l’invenzione l’apparato per la separazione trifasica sopra descritto à ̈ vantaggiosamente collocato in prossimità del pozzo, preferibilmente prima della valvola di controllo del flusso in uscita dal pozzo stesso. In questo modo, l’apparato può infatti operare sotto elevate pressioni, ad esempio superiori a 100-200 bar, alle quali la frazione in volume del gas risulta limitata, e la sua separazione risulta più agevole. Al contrario, nelle eventuali valvole collocate alla testa del pozzo si possono infatti avere forti perdite di pressione con formazione di dispersioni anche molto fini delle tre fasi, ad esempio di gas e acqua in olio, e la collocazione dell’apparato separatore a valle della valvola di controllo contribuisce ad aumentare l’efficienza della separazione.

L’apparato secondo l’invenzione può essere di volta in volta progettato in maniera diversa, ad esempio rispetto a forma e dimensioni, a seconda delle portate di gas, petrolio ed acqua che deve trattare. In molte applicazioni, può essere utile collocare l’apparato separatore dell’invenzione in prossimità di un singolo pozzo in produzione, alimentando il separatore con il solo flusso proveniente da questo pozzo. In questi casi l’apparato separatore ha un volume contenuto, e può essere vantaggiosamente progettato come separatore verticale, di forma sostanzialmente cilindrica, con un rapporto altezza/diametro compreso ad esempio tra 2 e 4. Tale rapporto altezza/diametro può anche essere vantaggiosamente più elevato nel caso in cui sia possibile e conveniente effettuare un interramento parziale del separatore, ovvero qualora nella parte inferiore del separatore sia previsto l’utilizzo di un metodo di separazione secondaria olio-acqua a sviluppo verticale.

Il vantaggio principale che si ottiene con l’apparato collocato in prossimità del pozzo che lo alimenta consiste nel fatto che, mancando una lunga tubazione di collegamento tra il pozzo di produzione e l’apparato per la separazione, non vengono generati nella linea ed alimentati all’apparato separatore quei lunghi tappi di liquido, denominati “slug†, per rimuovere i quali sarebbe necessario predisporre all’interno del separatore un apposito volume di raccolta.

Un ulteriore vantaggio della collocazione dell’apparato in prossimità del pozzo, à ̈ rappresentato dal fatto che la temperatura del fluido da trattare à ̈ più elevata che non quando l’apparato à ̈ posto a distanza dal pozzo, con la conseguenza che la separazione tra le fasi à ̈ più agevole ed il rischio di formazione di fasi solide indesiderate, quali cere, idrati, e simili, à ̈ inferiore.

Nei casi in cui si debbano trattare fluidi provenienti da più pozzi adiacenti, il sistema modulare dell’invenzione costituisce una soluzione particolarmente vantaggiosa. Il presente sistema modulare à ̈ infatti costituito da una serie di apparati separatori come sopra descritti, di dimensioni uguali, posti in parallelo, e in comunicazione fluida tra loro, alimentati da un collettore (manifold) al quale sono collegati i pozzi in produzione.

Con riferimento alla figura 3, con 24 si indica il fluido di produzione proveniente dalla pluralità di pozzi che, convogliato in un collettore di produzione 25, si distribuisce all’interno dei moduli separatori collegati al collettore 25 mediante le tubazioni 26.

Considerata la bassa probabilità che tutti i pozzi presentino contemporaneamente flussi a tappo, ovvero a “slug†, la particolare configurazione in parallelo tra i moduli, fa sì che eventuali tappi che eventualmente fuoriescono di volta in volta dal singolo pozzo possano essere ridistribuiti all’interno della pluralità di moduli di separazione, evitando di dover sovradimensionare i separatori per far fronte ad eventuali flussi a tappo come viene normalmente fatto nelle configurazioni a singolo separatore per singolo pozzo, con conseguente maggiore efficienza complessiva di separazione.

I flussi di gas e di olio fuoriuscenti da ciascun separatore nella configurazione modulare illustrata in figura 3, vengono convogliati assieme attraverso la tubazione 27 tramite collettore di olio/gas 28 al centro di produzione 41, mentre i flussi di miscele ricche in acqua che fuoriescono da ciascun separatore 29 vengono convogliate al centro 42 tramite apposito collettore 30 per ulteriori trattamenti o re-iniezione.

La presente configurazione modulare con i separatori in comunicazione fluida tra loro permette, durante il normale funzionamento, il mutuo riequilibrio dei livelli liquidoliquido dei singoli separatori. Un sensore di livello 31 à ̈ preferibilmente presente in ciascun separatore, per la rilevazione del livello della miscela olio-acqua all’interno, in modo tale che, quando il sensore 31 rileva un livello superiore o inferiore rispetto all’intervallo di livello predeterminato, un sistema di controllo 32 agisce su una pompa 33 per aprire o chiudere rispettivamente il flusso nel collettore 30.

In ciascuno dei separatori sono preferibilmente presenti un rilevatore di temperatura 34 ed un rilevatore di pressione 36, per rilevare rispettivamente i valori di temperatura e pressione all’interno del separatore.

La pressione nel sistema di separazione può essere vantaggiosamente controllata tramite un sistema di controllo 35 che, quando uno dei sensori di pressione 36 installato su ciascuno dei separatori, rileva un aumento o una diminuzione di pressione rispetto a quella predeterminata, agisce su una valvola 37 aprendo o chiedendo rispettivamente il flusso nel collettore 28.

Secondo una forma di realizzazione preferita, il sistema modulare secondo l’invenzione prevede l’installazione di valvole di intercettazione 38 sulle linee a monte e a valle di ciascun separatore, in modo da poter isolare ciascun separatore dalla linea senza inficiare il funzionamento degli altri separatori.

Sul presente sistema modulare si possono predisporre degli attacchi 39 sui quali installare eventualmente separatori aggiuntivi o di emergenza 40.

Il sistema modulare di separazione secondo l’invenzione presenta almeno i seguenti vantaggi:

ï€ il sistema può essere predisposto per comprendere un numero di moduli variabile in relazione alle esigenze di produzione;

ï€ le attività ed i costi di manutenzione sono ridotti, anche grazie al fatto che ciascun singolo modulo può essere facilmente sostituito, senza compromettere l'efficienza del sistema;

ï€un unico sistema di controllo di pressione e di livello dei fluidi può essere usato per l'intero sistema, a controllare tutti i moduli;

ï€ il volume necessario per accogliere eventuali tappi, o “slug†, di liquido à ̈ suddiviso tra tutti i moduli, piuttosto che in un unico separatore, con conseguente maggiore efficienza a volumi più contenuti.

La presente invenzione à ̈ stata fin qui descritta con riferimento a una sua forma di realizzazione preferita. È da intendersi che possono esistere altre forme di realizzazione che afferiscono al medesimo nucleo inventivo, tutte rientranti nell’ambito di protezione delle rivendicazioni qui di seguito riportate.

Claims (13)

1. RIVENDICAZIONI 1. Un apparato per la separazione di miscele trifasiche olio-acqua-gas, comprendente un corpo principale (1) comprendente a sua volta un serbatoio verticale (2) di forma essenzialmente cilindrica, munito di un ingresso (3) della miscela olio-acqua-gas (A) da trattare ed un'uscita (7) per l'acqua, disposti in una parte inferiore (4) di detto serbatoio (2); di almeno un’uscita (5) per la fuoriuscita del gas in una parte superiore (6) di detto serbatoio (2); e di almeno un’uscita (8) per l’olio in una parte intermedia tra detta parte superiore (6) e detta parte inferiore (4), detto apparato comprendente inoltre un condotto (10) collocato in detta parte intermedia, munito di un'uscita (13) verso detta parte inferiore (4), ed avente forma sostanzialmente cilindrica e diametro inferiore a quello di detto serbatoio (2) in modo da creare un'intercapedine (11) in comunicazione con detta parte inferiore (4) e detta uscita (8), detto ingresso (3) della miscela da separare avendo una conformazione tale da convogliare il gas in detta parte superiore (6) e la miscela liquida nella parte superiore di detto condotto (10).
2. 2. L'apparato secondo la rivendicazione 1, in cui detto ingresso (3) della miscela olio-acqua-gas comprende un primo tratto (3a) orizzontale ed un secondo tratto (3b) verticale avente una porzione finale (3c) di diametro maggiore rispetto al tratto (3b), chiusa superiormente da una parete piana (3d) e munita inferiormente di un'apertura anulare (9) e di almeno una serie di perforazioni (3e) sulla superficie, tali da permettere la fuoriuscita del gas in direzione radiale in detta parte superiore (6) del serbatoio, e della miscela liquida olio-acqua attraverso detta apertura anulare (9) all’interno di detto condotto (10).
3. 3. L’apparato secondo la rivendicazione 1, in cui su detto condotto (10) sono praticate una o più serie di fenditure (14) che mettono in comunicazione detta intercapedine (11) con l'interno di detto condotto (10).
4. 4. L'apparato secondo la rivendicazione 3, in cui dette fenditure (14) sono di forma e dimensioni uguali tra loro, disposte a distanza regolare una dall’altra, e tutte alla stessa altezza di detto condotto (10).
5. 5. L'apparato secondo la rivendicazione 3, in cui dette fenditure (14) sono collocate a circa 2/3 dell’altezza di detto condotto (10).
6. 6. L'apparato secondo la rivendicazione 1, in cui una sezione di forma troncoconica (15) Ã ̈ collocata al di sotto di detto condotto (10), da detta sezione (15) dipartendosi condotti (16) che mettono detta parte inferiore (4) del serbatoio in comunicazione fluida con detta intercapedine (11).
7. 7. L’apparato secondo la rivendicazione 6, in cui al di sotto di detta sezione tronco-conica (15) à ̈ collocato un tubo centrale (17) dotato di perforazioni (18) che mettono in comunicazione detta parte inferiore (4) del serbatoio con detta uscita (7) convogliando l’acqua verso detta uscita.
8. 8. L’apparato secondo la rivendicazione 6, in cui al di sotto di detta sezione tronco-conica (15) à ̈ collocato un separatore secondario che effettua un’ulteriore separazione della componente oleosa prima di convogliare l’acqua verso l’uscita (7).
9. 9. L'apparato secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, comprendente inoltre un denebulizzatore (19) collocato in detta parte superiore (6) di detto serbatoio (2) in modo da essere attraversato dal gas diretto verso detta uscita (5).
10. 10. Un processo di separazione trifase di una miscela acqua-olio-gas in un apparato separatore, comprendente la separazione per gravità di una miscela liquida acqua-olio dal gas in una parte superiore (6) di un serbatoio (2) munita di almeno un'uscita (5) per il gas, ed una prima separazione di detta miscela liquida in miscele olio-acqua ricche in olio o ricche in acqua mediante passaggio a velocità controllata della miscela stessa in un condotto verticale (10) munito di un'uscita (13) verso una parte inferiore (4) di detto serbatoio (2), di forma sostanzialmente cilindrica e diametro inferiore a quello di detto serbatoio in modo da creare un'intercapedine (11), detta separazione della miscela liquida avvenendo in modo equicorrente per gravità in detto condotto (10) e generando due flussi di miscele ricche in acqua e ricche in olio che scendono nel condotto a velocità diversa, dopo l’uscita (13) le miscele ricche in olio risalendo nell’intercapedine (11) mentre le miscele ricche in acqua scendendo nella parte inferiore (4) del separatore.
11. 11. Sistema modulare per la separazione di miscele acqua-olio-gas comprendente due o più apparati separatori come descritti nelle rivendicazioni 1-9, in comunicazione fluida tra loro e ciascuno dotato di un'apertura per l'ingresso indipendente delle miscele da separare.
12. 12. Il sistema modulare secondo la rivendicazione 11, in cui ciascun separatore comprende un sensore di livello (31) per la rilevazione del livello della miscela olio-acqua all’interno ed un sistema di controllo (32) che agisce su una pompa (33), in modo tale che, quando il sensore (31) rileva un livello superiore o inferiore rispetto all’intervallo di livello predeterminato, detto sistema di controllo (32) agisce su detta pompa (33) per aprire o chiudere rispettivamente il flusso di acqua da re-immettere dopo la separazione in un apposito collettore (30).
13. 13. Il sistema modulare secondo la rivendicazione 11, comprendente valvole di intercettazione (38) sulle linee a monte e a valle di ciascun separatore, in modo da poter isolare ciascun separatore dalla linea senza inficiare il funzionamento degli altri separatori.