NO175737B - Anordning for å forhindre nedsettelse av störrelsen til oljedråper når en olje/vann-ström föres inn i en olje-fra-vann-separator - Google Patents

Description

Ved produksjon av hydrokarboner fra underjordiske forma-sjoner erholdes ofte store mengder vann med den produserte olje og gass. Initiell behandling fjerner mesteparten av olje og gass fra vannet, men det vil fremdeles være betydelige mengder oljer tilstede i vannet. På grunn av strenge miljømessige krav, må den gjenværende oljen i vannet fjernes slik at maksimal konsentrasjon av olje er ca. 48 mg/liter. For å møte disse strenge miljøkravene er det utviklet forbedrede hydrosyklonseparatorer og annet olje-fra-vann separasjonsutstyr.

Vanligvis blir de produserte olje/vann-strømmene ført inn i en primær separator hvor gassen fjernes og en hoveddel av oljen fjernes. Deretter blir det oljeholdige vannet ført gjennom en måle- eller dumpe-ventil som begrenser mengden av olje/vann-strømmen som føres til en olje-fra-vann separasjonsenhet. Separasjonsenheten omfatter vanligvis et antall hydrosyklon-separatorer, sentrifuger, settlingstanker eller kombinasjoner av slike.

Det er funnet at effektiviteten av oljefjerning for disse enhetene er avhengig av størrelsen på oljedråpene som kommer inn i separasjonsenheten. Jo større oljedråper, desto lettere er det å fjerne oljen fra vannet og motsatt, jo mindre oljedråper desto vanskeligere er det å fjerne oljen fra vannet. Det er videre funnet at oljedråpene deles opp og reduseres i størrelse når de passerer gjennom en typisk måleventil eller dumpe-ventil. Dette fenomenet er beskrevet i SPE paper 18204, "Droplet Size Analysis" av Flanagan et al., publisert oktober 1988.

For å forbedre separasjonseffektiviteten til olje-fra-vann separasjonsenheter, er det behov for et anordning som hindrer reduksjon av oljedråpenes størrelse når en olje/- vann-strøm føres inn i en olje-fra-vann separasjonsenhet. Foreliggende oppfinnelse er ment å rette på disse manglene og møte de nevnte krav. Foreliggende oppfinnelse omfatter en anordning som hindrer reduksjon av oljedråpenes størrelse ved innføring av en olje/vann-strøm i en olje-fra-vann separasjonsenhet, som kan omfatte en eller flere hydrosyklonseparatorer, sentrifuger, settlingstanker eller kombinasjoner av slike. Istedenfor den vanlig måleventilen eller dumpeventilen på røret, brukes det en strupeanordning for å regulere mengden og trykket av olje/vann-strømmen som passerer gjennom. Strupeanordningen opprettholder strømmen av oljedråper ved å eliminere high-shear hastigheten og derved opprettholde den initielle størrelsesfordeling til oljedråpene.

Anordningen er således særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriserende del. Ytterligere trekk fremgår av krav 2 og 3. Figur 1 er en skjematisk fremstilling av en olje-fra-vann separasjonsanordning som anvendes i henhold til foreliggende oppfinnelse. Figur 2 er en grafisk fremstilling av reduksjonen olje-separasjonseffektiviteten tilsvarende en reduksjon av oljedråpenes størrelse i en fødestrøm i en hydrosyklonseparator. Figur 3 er et snitt av en strupeanordning som hindrer reduksjon av oljedråpenes størrelse i henhold til foreliggende oppfinnelse og som kan anvendes i anordningen i figur 1. Figur 4 er en skisse som viser et par hydrosyklonseparatorer med et mottrykks-kontrollapparat i henhold til foreliggende oppfinnelse.

Det er beskrevet en ny anordning for å hindre reduksjon av størrelsen til oljedråpene når en olje/vann-strøm føres inn i en olje-fra-vann separasjonsenhet. Anorndingen kan inkluderes i allerede eksisterende eller utgjøre en del av en kommersiell tilgjengelig olje-fra-vann separasjonsanordning, som de typene som benyttes på oljefelt. Som vist i figur 1 blir en olje/vann-strøm ført inn i en tank eller beholder 10, vanligvis betegnet som "fritt vann knock-out"4 hvor gassen fjernes gjennom et rør 12 til en fakkel, og en primær porsjon av oljen fjernes gjennom et rør 14 for videre behandling eller lagring. Tanken 10 kan være en settlings-tank, med eller uten indre spiralstrøm, og enhver annen kommersielt tilgjengelig primær separasjonstank eller beholder om ønskelig.

Det oljeholdige vannet som kommer ut av beholderen 10 passerer gjennom et rør 16 og en strømregulator og en strupeanordning, i henhold til foreliggende oppfinnelse. I tidligere anordninger ville strupeanordningen være en dumpeventil eller strupeventil, som tidligere nevnt, mens slike ventiler ikke er ønskelige å anvende i foreliggende anordning på grunn av deres inherente skjærkrefter som reduserer oljedråpenes størrelse. Det oljeholdige vannet blir deretter ført til en samletank 20, som er en sugetank og regulerer tilførselen av oljeholdig vann som passerer gjennom røret 22 til pumpen 24. Det er funnet at for de fleste anvendelser på oljefelt foretrekkes en pumpe med fast mengde for å opprettholde et tilstrekkelig innløpstrykk og væskestrømstilførsel av oljeholdig vann til en olje-fra-vann separasjonsenhet 26. Videre, for å hindre reduksjon av oljedråpenes størrelse, er det foretrukket at pumpen 24 er en progressiv kavitetspumpe eller en annen type ikke-skjærende pumpe, som beskrevet i SPE Paper 182 04 over.

Som tidligere diskutert er ikke typen av olje-fra-vann separasjonsenheten 2 6 som brukes kritisk for forbedringene av olje-separasjonseffektiviteten fordi alle typer olje-separasjonsanordninger vil dra fordeler ved å fjerne oljedråper med større størrelse. Olje-fra-vann separasjonsenheten 2 6 kan omfatte en eller flere hydrosyklonseparatorer, en eller flere sentrifuger, en eller flere settlingstanker eller kombinasjoner av disse, noe som er velkjent for fagmannen innen dette området. Separert olje fra separasjonsenheten 2 6 føres ut gjennom et rør 28 for lagring eller videre behandling. Separert vann fra separasjonsenheten 2 6 føres gjennom et rør 3 0 og gjennom en mottrykks-reguleringsanordning 32, som blir beskrevet mere detaljert under, og ut gjennom et rør 34 til avløp eller behandling. En ventil 36 kan være forbundet til røret 34 for å regulere mengden av separert vann som tvinges tilbake gjennom et tilbakeløpsrør 38 til samletanken 20. Denne returmuligheten kan sikre at det er en tilstrekkelig mengde vann i tanken 20 for innføring til olje-fra-vann separasjonsenheten 26. Ventilen 2 6 kan kontrolleres av en fjernstyrt nivåkontroller 40 plassert i tanken 20. Videre kan det brukes en oljesensor (ikke vist) som brukes for å sikre at ikke mer enn en forutbestemt mengde olje tillates å passere gjennom røret 3 4 til avløpet.

Med de økende miljømessige restriksjoner for mengden av olje i avløpsvannet, må det gjøres fremskritt for å øke effektiviteten til olje-fra-vann separasjonsenheten. En av de primære fordeler ved anvendelse av foreliggende oppfinnelse er at strupeanordningen 18 tillater at strømmen av det oljeholdige vannet passerer gjennom uten å bli utsatt for skjærkrefter. Skjærkreftene er funnet å medføre uønsket reduksjon av oljedråpenes størrelse og dette er beskrevet i det tidligere nevnte SPE 182 04. For å vise hvordan reduksjonen av oljedråpenes størrelse innvirker negativt på hydrosyklonseparatorenes separasjonseffektivitet, f.eks. av den typen som er vist som separasjonsenhet 26, ble det utført følgende eksempel. Det ble anskaffet en kommersiell hydrosyklonseparator med følgende dimensjoner : diameter til den øvre sylindriske delen (Dc) = 7.0 cm (2.75"), forholdet mellom innløpsdiameter og diameteren til den øvre sylindriske delen (di/Dc) = 2.26, forholdet mellom overstrøms-diameter og diameteren til den øvre sylindriske delen (do/Dc) = 0.028, forholdet mellom lengden av den øvre sylindriske delen og diameteren derav (Lc/Dc) = 1, konus-vinkel til den koniske delen (oc) =20 ° , kjernevinkel til den nedre koniske delen (3) = 1.5 0 , diameter til under-strømmen (du) = 2.54 cm (1") og forholdet mellom den rette haledelen og diameteren til den øvre sylindriske delen (Ls/Dc) =13. En vannstrøm ved 121 l/min (32 gpm) ved 15.6°C (60 °F) ble ført gjennom hydrosyklonseparatoren med 100 mg/liter av to forskjellige typer råolje, den første var en Bumpass råolje med en sg = 0.86 g/cm<3> viskositet og South China råolje med sg = 0.9 5 g/cm<3> viskositet. Ved å anvende en homogenisator ble oljedråpenes størrelse hos begge råoljene variert fra ca. 20 til ca. 60 jjm. Separasjonseffektiviteten (%) er definert som EFF (mf cf - mw cw)/mfcf, hvor

mf = fødens massestrøm,

mw = massestrømmen av separert vann,

cf = konsentrasjonen av olje i føden (mg/liter), og cw = konsentrasjonen av olje i separert vann (mg/liter). Effektiviteten ble målt ved løsningsekstraksjon/IR-målinger.

Figur 2 viser den dramatiske reduksjonen i separasjonseffektivitet ved redusert dråpestørrelse. I et tilfelle gikk separasjonseffektiviteten fra ca. 97 % til ca. 45 % ved en reduksjon av dråpestørrelsen på kun ca. 40 jjm. Det er klart at en separasjonseffektivitet på 45 % ikke kan møte de miljømessige krav, slik at det må gjøres en innsats for å opprettholde eller øke oljens dråpestørrelse før den føres inn i olje-fra-vann separasjonsenheten 26.

Oppfinnerne har funnet at dersom det ble anvendt en spesiell type strupeanordning 18 istedenfor alle strupe- eller dumpeventiler oppstrøms av separasjonsenheten 26, kunne separasjonseffektiviteten økes. En utforming av regulerings-anordningen 18 som eliminerer oppdeling av oljedråpene er vist i fig. 3. Det er vist en ikke-skjærende motor, som f.eks. en progressiv kavitetsmotor 50, med en spiralformet rotor vist med stiplede linjer. Rotoren 52 roterer inne i motorhuset 50 på en slik måte at væsken beveges fra høyt trykk til lavt trykk. Strømningsmengden reguleres ved å kontrollere rotasjonshastigheten til en ekstern aksel 54 til

rotoren 52.

Dersom rotasjonen til akselen 54 stanser vil ingen væske i røret 16 passere gjennom fordi motoren 50 virker som en ventil som hindrer at væske strømmer gjennom. En bremse-anordning, generelt vist ved referansenummer 56, er plassert for å hindre rotasjon av akselen 54 og for å regulere rotasjonshastigheten (rpm). Slike bremseanordninger kan være hydrauliske, elektriske, pneumatiske, fluidiske eller andre anordninger som hindrer eller regulerer akselens 54 rotasjon. I en utforming er det koblet til et gear 58 til akselen 54 som igjen roterer en dynamisk bremse eller en clucth-plate mekanisme av kjent type. Videre kan gearet 58 være forbundet med en hydraulisk, pneumatisk eller elektrisk generator som genererer energi som kan brukes andre steder.

Ved drift av foreliggende oppfinnelse, når det er ønskelig

å føre det oljeholdige vannet gjennom røret 16 og gjennom strupeanordningen 18, frigjøres bremsemekanismen 56 og dette medfører at både rotoren 52 og akselen 54 roterer. Den ønskede mengde og trykk av oljeholdig vann som passerer gjennom røret 16, blir regulert ved drift av bremsemekanismen 56. I SPE Paper 18204 er det ikke beskrevet eller foreslått å anvende en ikke-skjærende reguleringsanordning, som en progressiv kavitetsmotor, istedenfor en strupe- eller dumpe-ventil i en olje-fra-vann separasjonsanordning, og det er heller ikke beskrevet eller foreslått å anvende en progressiv kavitetsmotor uten kraft eller påsatt bremser for spesielt å redusere skjærkreftene og derved hindre reduksjon av oljedråpenes størrelse ved innmating av en olje/vann-strøm til en olje-fra-vann separasjonsenhet.

Figur 4 viser en utforming av en olje-fra-vann enhet 26 som kan anvendes i henhold til foreliggende oppfinnelse. Som vist i figur 4 fører røret 22 en olje/vann-strøm til en første hydrosyklonseparator 60 som igjen er koblet til i serie til en andre hydrosyklonseparator 62. De individuelle hydrosyklonseparatorene 60 og 62 kan være ev enhver

kommersielt tilgjengelig eller kjent type.

For å ha en tilstrekkelig separasjonseffektivitet i en hydrosyklonseparator av den typen som er vist i figur 4, er det ønskelig å inkludere en form for strømningsrestriksjon og mottrykks kontrollanordning 32 nedstrøms derav for å sikre at det er et tilstrekkelige mottrykk i anordningen. Vanligvis er mottrykks-kontrollanordningen 32 en strupeventil. Foreliggende oppfinnere har funnet at istedenfor å bruke en strupeventil, kan mottrykks-kontrollanordningen 32 omfatte en hydrosyklonseparator 64, som gir de ekstra fordelene som er beskrevet heri. Dersom det brukes en strupeventil som mottrykks-kontrollanordning 32, vil det ikke oppnås noen ekstra fordeler bortsett fra å ha kontroll over mottrykket. Faktum er at under drift vil en strupeventil ofte produsere et uønsket fluktuerende mottrykk, i motsetning til en hydrosyklonseparator 64, som ved sin drift og passende dimensjonering kan gi en glatt og tilfredsstil-lende mottrykks-kontroll for separasjonsenheten 26 og i tillegg gi fordelen av å fjerne fine faste stoffer fra avløpsvannet før dette føres videre til annen behandling eller avløp. Det er vel kjent for fagmannen innen området at passende dimensjonering og utforming av en faststoff hydrosyklonseparator 64, er markert forskjellig fra tilsvarende for en olje-fra-vann hydrosyklonseparator på grunn av nødvendige indre diametre, vinkler, innløpsdimen-sjoner, overstrømsdimensjoner og understrømsdimensjoner.

Der hvor foreliggende oppfinnelse er beskrevet i spesiell relasjon til de medfølgende tegninger, bør det innses at andre og videre modifikasjoner i tillegg til de beskrevne eller foreslåtte kan gjøres uten å avvike fra oppfinnelsens ånd og område.

Claims (3)

1. Anordning for å forhindre nedsettelse av størrelsen til oljedråper når en olje/vann-strøm føres inn i en olje-fra-vann separator, omfattende: minst et separasjonsmiddel (26) for separasjon av olje/vann-strømmen i minst to separate komponenter med forskjellig tetthet, hvor separasjonsmidlene (26) omfatter et innløp (22), et overstrøms utløp (28) og et understrøms utløp (30), et rør (16) som forbinder en kilde (10) for olje/vann-strømmen med innløpet (22) til separasjonsmiddelet (26),karakterisert ved en strupende progressiv kavitetsmotor (50) operativt forbundet til røret (16), og rotasjons-reguleringsanordninger (18) , operativt forbundet til den progressive kavitetsmotoren (50) med en rotor, for regulering av strømmen av fluidumblanding gjennom den progressive kavitetsmotoren (50).

2. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at et minst ett separa-sj onsmiddel omfatter minst én hydrosyklonseparator (26).

3. Anordning i henhold til krav 2, karakterisert ved at den innbefatter en mottrykks kontrollanordning (18,32) anordnet til et understrøms utløp fra minst én hydrosyklonseparator (26,64).