NO177613B - Fremgangsmåte ved fremstilling av produsert vann og innretning til bruk for behandling av vann - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av såkalt produsert vann, hvor vann og gass som inngående medium separeres i en flottasjonssyklon. Oppfinnelsen vedrører også en innretning til bruk for behandling av vann, særlig vann som skal injiseres i et hydrokarbonreservoar, såkalt produsert vann, i form av en flottasjonssyklon med en øvre del hvor det er inngangsåpningen som kommuniserer med et tilløp for det medium som skal separeres.

Vanninjisering i hydrokarbonreservoarer er nødvendig som en følge av redusert reservoartrykk når olje og gass utvinnes. For å opprettholde reservoartrykket og dermed øke utbyttet av hydrokarboner injiseres vann i reservoaret i et volumforhold på 1,3-1,5 ganger den produserte olje, under utnyttelse av høytrykkspumper som driver vannet ned i reservoaret. Vanninjisering krever vann som er fritt for oksygen og partikler. Oksygen er uønsket fordi det bidrar til korrodering, og partikler er uønsket fordi de kan medføre tilstopping av reservoaret. Ved den hittil vanlige behandling av injiseringsvann fjernes oksygen vanligvis ved stripping med en egnet gass i motstrøm-strippetårn eller ved hjelp av vakuum-avlufting. Partikler fjernes ved bruk av siler og filtrer-ingsanordninger. Kravet til partikkelfjerningen er vanligvis 90-98$ fjerning av partikler større enn 2 mikrometer, alt avhengig av forholdene i reservoaret. Andre krav som stilles til injiseringsvannet er at det må steriliseres og tilsettes biocider, avsetnings- og korrosjonsinhibitorer.

De fleste prosesser som benyttes for fysisk deoksygenering baserer seg på reduksjon av oksygen-partialtrykket. For-skjellen mellom de ulike metoder ligger i hvordan oksygenets partialtrykk reduseres. Partialtrykket kan reduseres ved å anvende vakuum, ved å introdusere en lite løselig gass, eller som en kombinasjon av ulike tiltak.

En mindre anvendt metode for fjerning av oksygen er å senke oksygenets løselighet ved å øke temperaturen og å senke oksygenets partialtrykk ved å innføre vanndamp i gassrommet. Katalytisk deoksygenering har også vært sett på som en mulig metode for fjerning av oksygen.

Suspenderte faststoffer i injiseringsvann fjernes vanligvis ved siling etterfulgt av en filtrering. Under silingen fjernes grove, suspenderte faststoffer, slik at man derved reduserer belastningen på de etterfølgende filtre. Disse kan være av ulike typer granulær-mediafiltre, både med hensyn til det anvendte granulat, kapasitet og virkemåte. Andre filter-typer er kiselgur-påleggsfiltre og patronfiltre.

Ved at oljeproduksjonen etter hvert forflyttes til stadig større havdyp vil kostnadene for produksjonsplattform-plassen øke betydelig. Det er derfor et vesentlig behov for å kunne redusere både vekt og dimensjoner av samtlige typer prosess-utstyr i den hensikt å kunne redusere den totale plattform-størrelse og- styrke.

Dimensjonene og vekten av avluftingstårn og granulærfiltre vil være betydelige når det dreier seg om behandling av store vannmengder for injisering. Spesielt i forbindelse med avluftingstårn er det en særlig ulempe at deres dimensjoner umuliggjør innpassing i de såkalte moduler. Dette betyr at slike tårn ofte må plasseres på utsiden av plattformen, som et tillegg til denne.

I NO-PS 160.805 foreslås det en fremgangsmåte for behandling av vann som skal injiseres i et oljereservoar, hvilken fremgangsmåte kan gjennomføres i et anlegg som ikke er altfor plasskrevende og i tillegg også egner seg særlig godt for bruk ombord i flytende installasjoner, dvs. at anlegget er ufølsomt overfor bevegelser. Den fra NO-PS 160.805 kjente fremgangsmåte for behandling av vann som skal injiseres i et ol jereservoar, baserer seg i utgangspunktet på at vann for deoksygener ing føres i medstrømkontakt med en gass i en statisk blander, og at den resulterende blanding av vann og gass skilles, eventuelt i flere trinn. For samtidig fjerning av partikler blir i et første trinn en i vannet lite løselig gass dispergert i vannet i medstrøm i en første statisk blander, hvoretter vannet underkastes en første flotasjons-syklonbehandling, hvor en skumblanding av vann, gass og partikler tas ut som sentralt topprejekt, mens tyngre partikler og små mengder vann tas ut som spissrejekt. Vannet fra den første flotasjonssyklons sideutløp føres i et andre trinn til en andre statisk blander og tilsettes en i vannet lite løselig gass for dispergering i vannet i medstrøm i den andre statiske blander, hvoretter vannet underkastes en andre f lotasjonssyklonsbehandling, hvor en skumblanding av vann, gass og partikler tas ut som sentralt topprejekt, mens tyngre partikler og små mengder vann tas ut som spissrejekt. Vannet fra den andre flotasjonssyklons sideutløp føres til en utjevningstank, eventuelt gjennom flere trinn svarende til det omtalte andre trinn, idet det sentrale topprejekt i det andre trinn syklonsepareres og den derved utskilte gass føres i retur til vannet som går inn i det første trinn, mens gass fra utjevningstanken føres i retur og blandes med ubrukt gass og tilsettes vannet som går inn i det siste trinn før utjevningstanken. Etter utjevningstanken blir vannet om nødvendig filtrert og går til injisering.

En bærende idé er å behandle vannet på forhånd, dvs. før separeringen, som foretas ved hjelp av sykloner. Med andre ord, separasjonen søkes påvirket (bedret) med en forutgående behandling (blanding/koalesens/reaksjon). Med den foran beskrevne teknologi oppnås flere fordeler, og en særlig fordel er at det kan benyttes små dispergeringsenheter (statiske blandere) med mulighet for modul-oppbygging av disse for derved på gjøre vedlikeholdsarbeider og repara-sjonsarbeider lettere. De statiske blanderne kan også monteres eller installeres på fleksible måter, idet de eksempelvis kan monteres vertikalt (strømningsretningen oppover eller nedover) eller horisontalt. I de statiske blanderne går gass og vann i medstrøm. Dette betyr at man kan oppnå betraktelige besparelser ved å benytte flere slike reaktorer i serie. Jo flere statiske blandere eller reaktorer som benyttes i serie, desto mer vil prosessen nærme seg en motstrøm-reaktor, som representerer den mest effektive prosessform for gass-stripping.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det en fremgangsmåte ved fremstilling av såkalt produsert vann, hvor vann og gass som inngående medium separeres i en flotasjonssyklon, kjennetegnet ved at det inngående medium føres til kollisjon mot en vegg i et ringkammer rundt inngangsåpninger i flotasjonssyklonens øverste del.

Det foreslås også en innretning til bruk for behandling av vann, særlig vann som skal injiseres i et hydrokarbonreservoar, såkalt produsert vann, i form av en flotasjonssyklon med en øvre del hvor det er inngangsåpninger som kommuniserer med et tilløp for det medium som skal separeres, kjennetegnet ved et ringkammer rundt inngangsåpningene, hvilket ringkammer er utformet som et gassflotasjons- og prekoalesenskammer, idet tilløpet munner slik i ringkammeret at det tilførte medium bringes til kollisjon med en vegg i ringkammeret.

Fordelaktig kan flotasjonssyklonens øverste del være utformet som et segment av en roterende ellipse, idet den nedre del av flotasjonssyklonen går over fra et elliptisk segment til et hyperbolisk segment, samt at et utløp i fIotasjonssyklonens nederste del er tangensialt med en vinkel 1-10" mot rotasjonsaksen.

For å oppnå øket fleksibilitet og mer effektive prosess-forhold kan den foran skisserte behandling av vann gjennom-føres i enhetstrinn som hvert består av blanding/koalesens/- reaksjon og separering med fIotasjonssykloner.

Et slikt enhetstrinn kan sammen med andre enhetstrinn, i prinsippet like, men eventuelt med forskjellig geometrisk utførelse, settes sammen til en multibehandling.

Et enhetstrinn består som nevnt av to komponenter, nemlig et blande/koalesens/reaksjonsdeltrinn og et flotasjonssyklon-deltrinn.

Den ene komponenten i enhetstrinnet, altså blande/koalesens/- reaksjonsdeltrinnet, er et deltrinn hvor inngangsmedium-gass, partikler, oljedråper og tilse.tningskjemikalier blandes. Her kan en reaksjon foregå som gassutdriving av oksygen, hydrogensulfid og lignende. Det kan også foregå en utfellingsprosess samtidig av uønskede komponenter, dvs. komponenter man ikke ønsker i hydrokarbonreservoaret, når det dreier seg om behandling av vann for slik injisering.

I enhetstrinnets første deltrinn vil en fnokking av små gassbobler og små oljedråper/partikler dannes og brytes ned til sterke forbindelser som lar seg separere dynamisk. Kollisjon av små oljedråper vil føre til sammensmelting til nye større oljedråper gjennom koalesens. Det starter her den første del av en flotasjonsprosess, med dannelse av mikro-bobler som kolliderer med små partikler/oljedråper og dannelse av sterke gass/partikkel/oljedråpe-sammenbindinger. Gasser som ikke ønskes sluppet til atmosfæren, eksempelvis CO2, kan blandes inn. Om nødvendig kan desinfeksjonsgass tilsettes slik at det oppnås desinfeksjon.

I enhetstrinnets andre komponent, flotasjonssyklon-deltrinnet, vil separasjonen være sterkt preget av den forutgående behandling i blander/koalesens/reaksjons-deltrinnet. Flotasjonssyklonens inngangsmedium vil være gassbobler, partikler og oljedråper som ekspanderer i inngangsdyser.

Særlig fordelaktig er som nevnt en geometrisk utforming av-fIotasjonssyklonens øverste del som et segment av en roterende ellipse for å få en ekspansjon med separasjon og ny dannelse av mikrofnokker-gass/olje/partikler og en kompresjon mot topp og den resterende nedre del av fIotasjonssyklonen, som går over fra et elliptisk segment til et hyperbolisk segment for å oppnå optimale koalesenseffekter, dvs. kollisjon-mikrooljedråper/-mikrogassbobler slik at separasjon oppnås.

Særlig hensiktsmessig kan som nevnt utløpet i nederste del av syklonen være tangensialt med en vinkel på 1°-10° mot rotasjonsaksen. I utløpet i bunnen av syklonen kan tunge partikler tas ut. Det utgående topprejekt i flotasjonssyklonen vil være en blanding av gass/partikler/olje/vann. Sammensetningen vil være avhengig av enhetstrinnets funksjon med hensyn til deoksygenering, desinfeksjon, partikkel-fjerning, oljefjerning og lignende i forbindelse med behandlingen av vann. Det utgående topprejekt inneholder partikler, oljedråper, vann og overskuddsgasser.

Kjemisk vil man kunne få kuttet svake fnokkbindinger ned til sterke bindinger som lar seg separere. Det har vist seg at hydrokarbongassen lar seg vaske ut av produksjonsvannet og at man dermed reelt kan senke innhold av hydrokarbon med ca. 50%.

Oppfinnelsen skal nå beskrives nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 rent skjematisk viser et anlegg for

behandling av vann,

fig. 2 anskueliggjør fordelaktige parametre for en flotasjonssyklon i forbindelse med oppfinnelsen, idet

fig. 3 rent skjematisk viser den skisserte flotasjonssyklon i fig. 2, sett i grunnriss.

Det i fig. 1 viste anlegg innbefatter et forbehandlingstrinn 1, et første enhetstrinn 2 og et andre enhetstrinn 3. Anlegget er beregnet for behandling av vann som skal benyttes for reinjeksjon i et hydrokarbonreservoar.

Forbehandlingstrinnet 1 innbefatter en statisk blander 4, en pumpe 5 og er tilknyttet en statisk blander 6 og en statisk blander 7, hvilke inngår i det første enhetstrinn. Den første statiske blander 4 kan tilføres sjøvann gjennom en sjøvanninntaksledning 8, og kan også tilføres gass, gjennom en gasstilføringsledning 9. Hensikten med innføringen av gassen er å redusere oksygeninnholdet, dvs. at det dreier seg om en strippegass. Fra den statiske blander 4 går det en ledning 10 til pumpen 5, hvorfra det går en trykkledning 11 opp til en avgreningsledning 12 som er tilknyttet sjøvann-inntaks-ledningen 8 såvel som en vanninntaksledning 13, som går til den statiske blander 6, hvorfra det videre går en ledning 14 til den statiske blander 7.

Kjemikalier kan tilsettes som vist ved 15, og ved 16 er det også vist en gasstilsettingsmulighet. Tilsettingen av kjemikalier, organiske eller uorganiske, kan eksempelvis skje for å bedre vedhefting mellom gassbobler og partikler. Sterke bindinger mellom gassbobler og partikler er i og for seg ønskelig, fordi bindingskreftene bør kunne motstå de skjær-krefter som oppstår i en flotasjonssyklon. Gass tilsettes ut fra praktiske kriterier. Fordelaktig kan det benyttes nitro-gengass, hydrogengass eller også meget fordelaktig hydrokar-bongass, fordi sistnevnte gass vil være tilgjengelig på stedet.

I forbehandlingstrinnet dannes det fine dråper for maksimal stoffovergang under optimale trykkforhold. Kjemikalietilsett-ingen gir utfelling og dannelse av sterke gass/olje/partik-kel-systemer.

Fra den statiske blander 7 går mediumstrømmen videre til flotasjonssyklonene 17,18, gjennom ledningen 16.

Disse flotasjonssykloner befinner seg inne i en beholder 19, som er delt opp i flere rom ved hjelp av skillebunner 20,21 og 22.

Sand og andre partikler vil gå ut i utløpet i bunnen i spiss av syklonen, mens resten av nedre utløp går opp gjennom de to statiske blanderne 23,24, som utgjør det første deltrinn i det andre enhetstrinn 3. Strippegass kan tilføres gjennom en ledning 25. Fra utløpet til den statiske blander 24 går fluidumstrømmen på ikke nærmere vist måte (antydet med piler) til respektive fIotasjonssykloner 26. Flotasjonssyklonen 26 er anordnet i et større antall rundt omkretsen.

Som topprejekt fra flotasjonssyklonene 17,18 i det første enhetstrinn kommer det ut en skumblanding bestående av vann, partikler og gass. I beholderen 19 er det her som vist sørget for et væskeoverløp 27 og et gassoverløp 28. Topprejektet fra flotasjonssyklonen 26 går til en syklon 29 øverst i beholderen, hvorfra det går ut et topprejekt som gass og et bunnrejekt bestående av olje/partikler. Topprejektet går ut gjennom ledningen 30, og dessuten er beholderen forsynt med en uttaksledning 31 for olje/- partikler.

Fra bunnen av flotasjonssyklonen 26 går det ut behandlet vann, som går ut fra beholderen 19 gjennom uttaksledningen 32.

Anlegget i fig. 1 er som man vil forstå bygget opp av enhetstrinn, som i prinsippet er like, men har forskjellig geometrisk utførelse. Et deltrinn av det første enhetstrinn er på fordelaktig måte samlet med et andre enhetstrinn i en felles beholder, av konstruksjonsmessige og driftsmessige årsaker.

Anlegg kan som man vil forstå realiseres som enklere og mindreplasskrevende anlegg enn tidligere kjent. Anleggene og deres komponenter er også bevegelsesufølsomme, slik at de uten videre kan benyttes ombord i flytende plattformer, og man opererer også med lave vekter. I realiteten vil det kunne dreie seg om vekt- og volumbesparelser ned til 10$ av dagens i og for seg kjente systemer.

Flotasjonssyklonenes geometriske utforming er påvirket med oppfinnelsen. Et typiske eksempel på den geometriske utforming av en flotasjonssyklon ifølge oppfinnelsen er vist i fig. 2 og 3. Flotasjonssyklonens øverste del er utformet som et segment av en roterende ellipse 25 for å få en ekspansjon med en separasjon og ny dannelse av mikrofnokker gass/olje/partikler og en kompresjon mot topp og resterende nedre del av flotasjonssyklonen som går over fra et elliptisk segment til et hyperbolisk segment 36 for å oppnå optimale koaliseringseffekter, dvs. kollisjon mikrooljedråper/mikrogassbobler slik at separasjon oppnås.

Utløpet i nederste del av syklonen er tangensialt med en vinkel på mellom 1° og 10" mot rotasjonsaksen (vinkel a). I utløpet i bunnen i spiss av syklonen kan tunge partikler tas ut.

I fig. 2 og 3 er det første deltrinn tatt med. Det dreier seg om et innløp 37, en gass/medium/tilføringsledning 38 og en statisk blander 39.

Sjøvann eller produsert vann går inn i innløpet 37. Gjennom ledningen 38 tilsettes en gass/medium med funksjon som strippegass, desinfeksjonsgass, eller en kjemisk reaktant med det formål å fjerne oksygen fra sjøvann, fjerne uønskede gasser såsom E2S, COg eller tilsvarende, desinfisere vannet ved bruk av desinfeksjonsgasser Cl, brom eller lignende, tilsetter gass under trykk for å få flotasjonsvirkning med det formål å rense vannet for olje og partikler, tilsettes CO2 eller annen gass som skal injiseres i et reservoar, med det formål å hindre utslipping til atmosfæren eller å øke utvinningen, og/eller foreta en utfelling av en uønsket komponent før injisering i et reservoar. Vannet og tilsatt gass/medium går videre til den statiske blander 3 som representerer en blander/koalesens-reaksjons-delenhet hvor gass og i dette tilfelle vann mikses hele tiden slik at bobler ikke vokser, men får optimal størrelse og stoff-overgangsflate.

Fra den statiske blander 39 går fluidumstrømmen til separasjon i flotasjonssyklonen. Flotasjonssyklonens separasjon er anskueliggjort med symbolene 40,41,42,43,44 og 45. Separasjonen er avhengig av de større og sterkere dråper, dråper/- gassbobler, partikler/gassbobler som er dannet i det fore-gående deltrinn. Inngangsmediet fra den statiske blander 39 entrer flotasjonssyklonens øverste del, som er utformet som et segment i en ellipse med avstand 11 til den negative y-akse og en avstand 12 til den positive y-akse. Den elliptiske banens utforming bevirker kompresjon av gass/væske/partikkel-systemet mot topprejektet og ekspanderer samme system mot bunnrejektet, hvor radienes forhold R/r er 20-50, og som senere går over til en roterende hyperbel 45, for å oppnå maksimal koalesenseffekt og dermed separasjon.

Det er en sammenheng mellom den forutgående behandling i blande/reaksjon-deltrinnet og separasjonen. Gass løses opp i inngangsmediet (her vann) for å drive ut oksygen og/eller drive ut uønskede gasser, såsom E2S og/eller for å få fIotasjonsvirkning ved at små gassbobler bringes i kontakt med motsatt ladede partikler/oljedråper, slik at de danner sterke nok bindinger til å motstå påvirkningen gjennom flotasjonssyklonen, og/eller oljedråper kolliderer og danner store nok oljedråper gjennom koalesens til å bli separert. Gjennom en ledning 46 kan kjemikalier tilsettes for derved å øke affinitet og styrke på bindinger partikler/partikler, partikler/gassbobler og oljedråper/gassbobler, hvor blande-, reaksjons- og koalesenselementet virker slik at store multifnokker kuttes ned igjen til sterke mikrofnokker, men med styrke og størrelse som lar seg separere i flotasjonssyklonen .

Blandingen av inngangsmedium, gassbobler, partikler og oljedråper entrer flotasjonssyklonens inngangsdyser 42, som er geometrisk utformet med en konveks tangerende ytter- side til syklonens øverste del. Utgående topprejekt 41 i flotasjonssyklonen vil være en blanding av gass/partikler/væske, med hovedkomponent gass som er byttet ut med en annen uønsket gass gjennom en strippeprosess.

Uønsket stoff, som man ønsker tatt ut før injisering i reservoaret, tas ut i den nedre spiss, hvor flotasjonssyklonen utmerker seg ved at den dens nedre del mot spiss-rejektet har en form som en parabel som tangerer ellipsen og har et utløp 44 med en vinkel a = 1°-10° mot y-aksen.

Fordelen man oppnår med oppfinnelsen, da særlig med bruk av enhetstrinnet i en vanninjeksjonsprosess, er at alt vann, både sjøvann, produsert vann fra brønn, drenasjevann fra plattform, ballastvann fra ballasttanker og spillvann fra slambehandling kan behandles i en operasjon som kan utføre følgende: fjerne uønskede gasser som H2S, O2 og lignende fra inj eksj onsvannet

fjerne partikler og oljedråper fra vannet som skal fjernes fjerne uønskede komponenter i vannet som kan felles ut i blande/reaksjonsdelen, med separering i flotasjonssyklonen

fjerne uønskede utslipp til atmosfæren ved tilsetting av eksempelvis forbrenningsgasser som CO2 som strippegass og injisere dette i reservoaret, eventuelt med det formål å oppnå økt oljeutvinning (CO2)

fleksibilitet, slik at dersom reinjeksjon ikke kan

gjennomføres kan vannet behandles slik at det kan foretas uslipp til resipient - det oppnås vekt- og volumbesparelser ned til 10% av dagens systemer.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av såkalt produsert vann, hvor vann og gass som inngående medium separeres i en flotasjonssyklon, karakterisert ved at det inngående medium føres til kollisjon mot en vegg i et ringkammer (43) rundt inngangsåpninger (42) i flotasjonssyklonens øverste del.

2. Innretning til bruk for behandling av vann, særlig vann som skal injiseres i et hydrokarbonreservoar, såkalt produsert vann, i form av en flotasjonssyklon med en øvre del hvor det er inngangsåpninger (42) som kommuniserer med et tilløp (37-39) for det medium som skal separeres, karakterisert ved et ringkammer (43) rundt inngangsåpningene, hvilket ringkammer er utformet som et gassflotasjon- og prekoalesenskammer, idet tilløpet (37-39) munner slik i ringkammeret at det tilførte medium bringes til kollisjon med en vegg i ringkammeret (43).

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at fIotasjonssyklonens øverste del er utformet som et segment av en roterende ellipse, og at den nedre del av flotasjonssyklonen går over fra et elliptisk segment til et hyperbolisk segment, samt at et utløp i flotasjonssyklonens nederste del er tangensialt med en vinkel 1-10° mot rotasjonsaksen.