NO162997B - Separator for fluider med forskjellig tetthet. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en separasjonsanordning av det slaget som er angitt i innledningen til patentkrav l, særlig for å separere olje og andre stoffer fra en borebrønn, under påvirkning av sjøbevegeIser.

Ettersom letingen etter og produksjon av blandinger av hydrokarboner og vann når dypere sjødybder, er den praktiske grensen for bore- og produksjonsplattformer forankret til havbunnen nådd. På dypere vann er det nødvendig å bruke plattformer som befinner seg på flytestrukturer utsatt for alle seks sjøbevegelsene. Separasjonen av komponentene fra borebrønnene må utføres i beholdere festet på flytende konstruksjoner og er derfor utsatt for de opprivende kreftene fra sjøbevegelsene. Alle konvensjonelle beholdere brukt for separering av slike fluider er blitt undersøkt for å kunne tilpasses bruk i slike omgivelser.

Selv om oppfinnelsen i praksis er avgrenset til bruk i forbindelse med olje- og gassbrønner omfatter den også andre blandinger av fluider av forskjellige tettheter. I denne sammenhengen skal det understrekes at hydrokarbonfluider er representative for alle blandinger av fluider med forskjellige tettheter.

Plattform- og fartøysmontert behandlingsutstyr må virke tilfredsstillende under forskjellige sjøbevegelser. Den kraftigste delen av en storm til havs kan vare 30 min., men dersom den forårsaker betydelig påvirkning av behandlingen (f.eks. overføring av olje til gassledninga) må hele anlegget stenges. Gjenstårting av et komplekst anlegg kan ta 8 timer, noe som gir et betydelig tap i produksjonen og inntekter. Behandlingsbeholderen har størrelsesgrenser p.g.a. hensynet til vekt og plass, samtidig som de må være i stand til å virke under de stormene som kan forekomme. Svaret på disse vanskelige kravene ligger i utformingen av indre elementer i separasjonsbeholderen.

I US-PS 4.073.734 er det beskrevet en anordning for å separere olje, vann og gass fra en undervannsbrønn. Selv om denne løsningen har vært effektiv for to-faseseparasjon,

) kreves ytterligere forholdsregler for tre-faseseparasjon utsatt for sjøbevegelser.

I det nevnte patentskriftet beskrives et horisontalt bord eller ei skilleplate som strekker seg hovedsakelig over lengden av det horisontalt forløpende karet. Nivået på den

i horisontale skilleplata lå omtrent i den forventete skilleflata mellom olje- og vannvolumene i separatoren. Vannet, med noe olje kom inn i to rom under plata, ett i hver halvdel i separatoren, gjennom en sentralt plassert åpning. Vannet kom inn i de to rommene gjennom åpninger i

) veggen som grenset til hvert rom. Oljen som kom inn i rommene ble ført til oljevolumet over den horisontale skilleplata gjennom vertikale rør gjennom denne. Vannet forlot beholderen gjennom to utløp plassert nær hver sin ende av separatoren. Oljen ble fjernet fra beholderen etter i å ha strømmet over en vertikal skillevegg plassert ved den borteste enden av separatoren i forhold til innløpet og over den horisontale skilleplata.

Ytterligere vurdering av denne løsningen og oppsamling av erfaringer med bruken har vist at det kan skje betydelige ) forbedringer. Strømmingen av væsker inn og ut av hovedåpningen i den horisontale skilleplata forstyrrer tyngdekrafta sin separasjon av olje og vann. Ytterligere elementer kan brukes for å oppnå bedre isolasjon av det væskefylte rommet under skilleplata. Den foreliggende oppfinnelsen er således plassert på en alternativ utforming av oppbygningen i separatoren, som vil eliminere problemene eller begrensningene med det kjente systemet. En betydelig taktot bow. ikke var tlltcetlBBtlllende tatt hensyn til ved den kjente løsningen, et problemet med skumreduksjon eller forsinkelse i skumdannelsen.

Hovedformålet med oppfinnelsen er altså å skape en separator for fluider med forskjellig tetthet, som virker bedre under bruk ved bølgebevegelse enn den nevnte kjente separatoren og tilsvarende andre separatorer. Den søker å avgrense eller omslutte massen av væsker som skal skilles, i det nedre rommet i en horisontal separatorbeholder, for å opprettholde ei stabil skilleflate mellom væskevolumene.

Det er et særlig formål å skape ei skilleflate mellom olje og vann i det væskefylte rommet i en horisontal separatorbeholder, som reduserer hastigheten og volumet på væskebevegelsen og gjør virkningen av tyngdekraft-separasjonen størst mulig under sjøbevegelser.

Ifølge oppfinnelsen kan dette oppnås ved hjelp av en separator som er utformet i samsvar med den karakteriserende delen av patentkrav 1.

Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen er angitt i underkravene.

Oppfinnelsen vil nedenfor bli beskrevet nærmere under henvisning til tegningen, hvor: fig. 1 viser et vertikalt snitt gjennom en horisontal beholder beregnet for montering på en flytende, marin konstruksjon, utformet i samsvar med oppfinnelsen,

fig. 2 viser et tilsvarende riss som fig. 1, med beholderen vippet maksimalt i en retning,

fig. 3 viser en tilsvarende figur som fig. 2, med separatoren vippet maksimalt i motsatt retning,

fig. 4 viser et vertikalt snitt gjennom en alternativ utførelsesform av en separatorbeholder hvor blandingen av væsker som skal separeres mottas sentralt i beholderen,

fig. 5 viser beholderen i fig. 4 vippet maksimalt i en retning,

fig. 6 viser beholderen i fig. b vippet maksimalt i motsatt retning,

fig. 7 viser et vertikaIsnitt gjennom en tredje

utførelsesform av oppfinnelsen, hvor væskene som skal separeres tilføres beholderen ved motstående ender,

fig. 8 viser beholderen i fig. 7 vippet maksimalt mot ei side, mens

fig. 9 viser separatoren i fig. 8 vippet til motsatt side.

Betegnelsen "væske" er i denne beskrivelsen brukt både om væsker og blandinger av væsker og gasser ("fluider"). Skum kan her også oppfattes som ei væske, selv om det mer nøyaktig er en kombinasjon av gassbobler i olje.

Når betegnelsen "blanding" brukes i denne beskrivelsen, skal den omfatte en kombinasjon med varierende mengder olje, vann, gass og skum. Olje, vann og gass vil være sluttproduktene som separeres av separatoren ifølge oppfinnelsen.

Et vaterpass viser hvordan tyngdekrafta forsøker å holde ei skilleflate horisontalt. Overflata på ei væske forsøker alltid å innstille seg horisontalt. 1 en beholder med standard innvendig utstyr basert for bruk på land, er væskenivået uten bevegelse. Dersom en slik beholder plasseres på et fartøy, vil den resulterende konstante væskebevegelsen forårsake at hele innholdet i beholderen beveger seg fram og tilbake, for eksempel med en periode på 15 sekunder. Dette skaper en stor mengde turbulens som forringer separasjonen. Dessuten vil de store vertikale bevegelsene av skilleflata føre dem farlig nær utløpsåpninger.

Indre elementer (såsom gjennomhullete plater), som er avgrenset nok til å dempe væskebevegelsen, vil skape slike høye hastigheter, at de ville blande væskene som skal separeres. Den eneste måten for dempning av væskenivået er ved pakking. Dette betyr å danne et rom hvor en av de to væskene er tilstede i meget liten mengde eller ikke til stede i det hele. Ei flaske fylt fullstendig med vann kan svinges og settes i hastighet så mye som mulig uten at det skapes turbulente strømminger i vannet. Et væskefylt rom i en behandlingsbehoIder må tillate kontinuerlig inn- og ut-strømming. Separatoren ifølge oppfinnelsen gir voeskefyl 1 ing med høy oppløsning og en uhemmet bane for gjennomstrømming.

Oppfinnelsen er realisert i en sylinderformet, horisontalt plassert beholder. Blandingen mottas i beholderen og styres med skillevegger som omfatter ei hovedsakelig plan, horisontalt forløpende plate som bli kalt skillebunn. Et rom dannes under skillebunnen, sammen med den nedre delen av beholderen. En eller to "brønner" dannes av vertikale plater som strekker seg fra skillebunnen til bunnen av beholderen. De vertikale platene og beholderveggen danner på denne måten brønnen eller brønnene.

Hver av figurene 1, 4 og 7 beskriver en utførelsesform av oppfinnelsen med en horisontalt plassert sylinderformet beholder. Hver av beholderne mottar en eller flere tilførsler fra en brønn, som kan omfatte varierende forhold av olje, vann, skum og gass, og som inneholder de nyttbare produktene olje og gass. Hver beholder er montert på ei plattform eller et fartøy som flyter på havflata. Sjøbevegelsene av plattforma eller fartøyet overføres til separatorene. Alle de seks marine bevegelsene vil ikke bli analysert. I denne forbindelsen vil bare stampingen bli betraktet i fig. 2, 3, 5, 6, 8 og 9 som hovedbevegeIse. Bare virkningene av stampebevegelsene er illustrert, med den forutsetning at dette vil klarlegge oppfinnelsen tilstrekkelig.

I hver av viste separatorbeholderne er det plassert en horisontal skillebunn som strekker seg parallelt med beholderaksen. Et rom dannes under denne skillebunnen sammen med beholderens nedre veggdel og en eller flere hovedsakelig vertikale plater strekker seg mellom undersiden av skillebunnen og beholderens innside. Volumet mellom den vertikale platen og enden av separatoren danner en brønn og kommuniserer med rommet gjennom en eller flere tilbakeslagsventiler montert med gjennomgang gjennom den vertikale plata. Rommet, enveisventi len eller tilbakeslagsvent i len og brønnen utgjør de sentrale elementene i oppfinnelsen.

Fig. 1 beskriver en horisontalt plassert, sylinderformet beholder 1. Blandingen fra en oljebrønn føres inn i enden 2 gjennom et innløp 3. Gass, olje og vann separeres og fjernes atskilt fra beholder 1. Gassen forlater midtpartiet av beholderen gjennom et utløp 4, den fraskilte oljen forlater beholderen 1 gjennom et utløp 5 og vannet fjernes gjennom et utløp 6.

Den tilførte blandingen kan eventuelt inneholde skum. Den væskeformete delen av blandingen som kommer inn i beholderen synker ned mot oversida av en vesentlig plan, horisontal skillebunn 7. Væskene strømmer deretter ned i en brønn 8 ved en ende av beholderen. Det er naturligvis praktisk å anordne en slik brønn ved hver ende av beholderen, for å oppta væskene, og i begge tilfeller danner ei vertikal plate 9 et rom 10 under skillebunnen 7 og danner samtidig brønnen 8 mot beholderens skall. Brønnen og rommet kommuniserer gjennom åpninger gjennom plata 9 med tilbakeslagsventiler 11 og 12. Utløpet 6 slipper vann ut fra rommet 10. Olje fjernes fra rommet 10 gjennom utløpet 5 og gass fjernes altså fra beholderens 1 overside gjennom utløpet 4. Tilbakeslagsventilene 11 og 12 gir gjennomløp fra brønnen 8 til rommet 10. De to ventilene er plassert den ene vertikalt over den andre og på et nivå hvor den øvre ventilen 11 vil slippe olje inn i rommet 10 og ventilen 12 slipper vann inn i rommet 10, såfremt det foreligger en separasjon av de to fasene i brønnen 8. Begge ventilene er betegnet tilbakeslagsventiler, fordi de tillater væskestrøm bare fra brønnen 8 inn i rommet 10 og hindrer væsken i å strømme fra rommet og tilbake til brønnen. Rommet 10 er derfor alltid væskefylt. Dessuten vil de to ventilene sikre den ønskete karakteren på væskestrømmen inn i rommet 10.

Olje og vann danner ei skilleflate 14 og væskene vil føres ut enkeltvis gjennom utløpene 5 og 6. Disse utløpene er plassert på et sted i rommet 10 hvor stampingen av beholderen vil ha minst innvirkning på skilleflata. Gass som slipper ut av væskene i rommet 10 vil stige opp gjennom den ene eller begge av to kanaler 15 og 16 slik at den kan unnvike gjennom utløpet 4. Når en går tilbake til innslippet av brønnprodukt i beholderen gjennom innløpet 3, kan eventuelt innhold av skum 17 overføres til gassutløpet 4.

Som illustrert i fig. 1 vil blandingen av olje og vann strømme over oversida av skillebunnen 7. Denne bevegelsen over skillebunnen 7 forutsettes å redusere skummet i en viss utstrekning. Skillebunnen 7 er plassert ved skilleflata mellom olje og skum, for å styre væskenivået til denne skilleflata. Det minimale gassjiktet under skillebunnen skaper bare en minimal væskebevegelse, turbulens og vertikal skilletlateforstyrrelse. Det samme er tilfelle for det tynne olje- og vannsjiktet over skillebunnen. Det er ikke mulig for olje- og vannsjiktene i rommet 10 å strømme mot høyre side av beholderen i fig. 2, eller mot venstre i fig. 3. Olje- og vannsjiktene i rommet 10 kan ikke løfte eller forflytte skummet. Skilleflata mellom skum og gass forblir forholdsvis stasjonær på grunn av isolasjonen av olje og vann i rommet 10. Bevegelse av væsker i rommet kan ikke bevege ei væske (fluid) utenfor rommet. Tørt skum flyter sakte under sin egen tyngde i forhold til den vanlige 15-sekunders perioden for sjøbevegelse. Skumsjiktet 17 er derfor rolig og reduseres hurtig. Fig. 2 og 3 viser beholder 1 i motsatte ender av stampebevegelsene. Væskenivåene er vist for å illustrere hvordan væskene separeres under stamping og hvordan de føres ut av beholderen. Fig. 4-6 viser en ytterligere utførelsesform av oppfinnelsen, som i en viss utstrekning er en gjentakelse av utførelsesformen i fig. 1-3. En beholder 20 har en sentral innløpsåpning 21 for væskeblanding som skal separeres. En skillebunn 22 strekker seg horisontalt på et nivå som står i forhold til den forventete skilleflata mellom væskene som skal skilles. To brønner 23 og 24 er dannet ved de respektive ender av beholderen og væske synker ned fra skillebunnen i disse brønnene. Vertikale skillevegger 25 og 26 har tilbakeslagsventiler 27-30, slik at væske fra begge brønnene kan strømme inn i et rom 31, samtidig som de hindrer tilbakestrømming fra rommet til brønnene. Innløpet 21 slipper væskeblandingen ned på oversida av skillebunnen 22 og det forutsettes at væskene vil bli delt likt av en vertikal skillevegg 32 som strekker seg fra skillebunnen 22 oppover i retning mot innløpet 21. Skilleveggen 32 deler ikke bare de innkommende væskene jevnt på de to sider av skillebunnen, men forårsaker dempning av væskestrømmen over skillebunnen under stampebevegelse. Gass som slipper ut av blandingen vil føres fra beholderen 20 ut gjennom utløp 33 og 34. Igjen vil ei skilleflate 35 mellom olje og vann i rommet 31 forbli i det minste forholdsvis stabil under stampebevegelse. Skilleflata vil i det minste være tilstrekkelig stabil til å sikre at oljeutløpet 36 alltid vil slippe olje fra det øvre væskevolumet og utløpet 37 vil slippe vann fra det nedre væskevolumet i beholderen ut under stampebevegelse. Både olje- og vannutløpene er plassert nær beholderens midte. Ved denne utformingen vil væskene først strømme over skillebunnen 22, hvor det skjer en viss avgassing, slik at gass og skum hindres fra å bli ført med væskene inn i rommet 31.

Væskenivåene er vist i fig. 5 og 6 for å antyde hvordan rommet 31 mottar væskene og hindrer at de strømmer tilbake til brønnene. Dette illustrerer på nytt hvordan oppfinnelsen gir stabilisering av skilleflata, som resulterer i høyere renhet i separeringen under sjøbevegelse.

I fig. 7 har en beholder 40 to innløp 41 og 42 for tilførsel av væskeblanding som skal separeres. Det finnes situasjoner som krever bruk av to innløp, ett ved hver ende av beholderen. En skillebunn 42 mottar blandingen fra de to innløpene og ved hver ende av beholderen er det dannet brønner 44 og 45 med vertikale plater 46 og 47 som vist i fig. 4. Væskeblandingen strømmer fra hver brønn gjennom de vertikale platene og inn i et rom 48 under skillebunnen. Tilbakeslagsventiler 49-52 styrer enveis-strømmen av blanding fra hver brønn inn i rommet 48. Uttaksåpningene til utløpene 53 og 54 er plassert nær midten av beholderen sett i lengderetning, som i fig. 1 og 4.

Væskenivåene er gjengitt i fig. 8 og 9 for å vise hvordan rommet 48 mottar væskene og hindrer at de strømmer tilbake til brønnene. De samme prinsippene er altså til stede ved denne utførelsesformen som i fig. 1 og 4.

Claims (4)

1. Separator for væskeblandinger med forskjellig tetthet, ei væske med en minste tetthet, ei væske med en største tetthet og ei væske med en mellomliggende tetthet, og som er utsatt for sjøbevgelse, omfattende: a) en sylinderformet separatorbeholder (1,20) som er plassert horisontalt med ett eller to innløp (3; 21;41;42) for å motta fluidene med forskjellig tetthet, b) en horisontal skillebunn (7;22) montert innvendig av beholderen, og under innløpet eller innløpene og strekkende til innenfor en forhåndsbestemt avstand fra en eller begge ender av beholderen, og parallelt med dens lengdeakse, for å motta og spre væskene fra innløpet eller innløpene, c) ei eller to vertikale plater (9;25;26) forseglet til en eller begge ender av skillebunnen og til bunnen av beholderen ved å dele rommet under bordet inn i (i) et væskefyllbart rom (10:31,48) dannet mellom undersida av skillebunnen, de vertikale platene og beholderbunnen og (ii) en eller to brønner (8 ; 23;24,44,45) dannet ved en eller begge ender av beholderen, d) en eller to utløp (4;33,34) gjennom beholderveggen over skillebunnen for væsken med minst tetthet, e) to utløpskanaler (15,16) gjennom skillebunnen i forbindelse med rommet til området av skillebunnen for fjerning av væske av lavere tetthet fra rommet, f) utløpsrør (5,6;36,37;53,54) fra rommet nær sentret av rommets lengde for å fjerne de separerte væsker med større tetthet, karakterisert ved at en av utløpene (6,37,54) er vesentlig plan med bunnen av beholderen for væsken av størst tetthet og de andre utløpene (5,36,53) strekker seg opp i rommet en forhåndsbestemt distanse for væsken med mellomliggende tetthet, og omfatter videre: g) minst en tilbakeslagsventil (11,12;27,28,29,30;49,50,51,52) montert igjennom den vertikale plata eller platene mellom rommet og brønnen eller brønnene for å tillate enveisstrøm av væske inn i rommet fra brønnen eller brønnene.

2. Separator i samsvar med krav 1, karakterisert ved at innløpet omfatter et enkelt innløp lokalisert sentralt mellom endene av beholderen.

3. Separator i samsvar med krav 2, karakterisert ved å videre omfatte en vertikal skillebunn (32) strekkende oppover fra skillebunnen mot innløpet for å dele væskene som strømmer gjennom innløpet og virke som en spjeld for væske over skillebunnen under sjøgan<g.>

4. Separator i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det finnes to innløp, hver på sin ende av beholderen.