NO20120060A1 - Apparatur og fremgangsmate for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsert vann - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse vedrører en apparatur for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsert vann som omfatter: en separasjonstank, minst ett innløpsrør (22, 27), minst en forgreningsanordning (6) som fordeler strømmen av produsert vann, minst en utløpsdyse (7) og minst en ledeplate (8.1) montert under hvert innløp og som leder vann over den neste utløpsdysen; minst ett utløp (12) i 10 bunnen av tanken for renset vann og minst ett utløp (9, 35, 36) for uttømming avgass med påhengte oljedråper, minst en ledeskinne (39) er anordnet helt eller delvis langs innsiden av minst en ledeplate (8.1) i en vinkel på 30° og 150° i forhold til ledeplaten (8.1). Oppfinnelsen vedrører videre en fremgangsmåte for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsert vann.

Description

Apparatur og fremgangsmåte for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsertvann.

Foreliggende oppfinnelse omfatter en fremgangsmåte for separasjon

av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsertvann samt apparatur for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsertvann.

Bakgrunn

Globalt er vannproduksjonen knyttet til olje & gass produksjonen mer enn tre ganger høyere enn oljeproduksjonen. Dette gir en gjennomsnittlig vannandel på rundt 75 % av det som produseres fra brønnene. Vann-prosenten fortsetter å øke. For ca ti år siden var den ca. 70 %. Vannandelen øker etter hvert som oljefeltene blir eldre og reduserer etter hvert som bedre metoder for å håndtere reservoaret utvikles og etter hvert som nye felt introduseres. Samtidig blir miljøkravene strengere og mer kompliserte å

møte. Utfordringene blir større for operatørene og behovet for bedre, forminskede og mer kostnadseffektive teknologier øker. Kostnadene til vannbehandling er med på å bestemme hvor høyt vanninnhold det er økonomisk lønnsomt å produsere. Dette vil også avhenge av oljeprisen.

Formålet med foreliggende oppfinnelsen er å tilveiebringe et rensesystem for produsertvann med hovedfokus på oljeinstallasjoner på land og til havs verden over. Produsertvann som kommer opp fra brønnen med brønnstrømmen, blir separert fra oljen og gassen, deretter renset og sluppet ut til sjøen eller reinjisert i reservoaret. Produsertvann er en blanding av formasjonsvann, rester av produksjonskjemikalier og reinjisert vann (på de installasjonene der dette gjøres). Innholdene og sammensetningen av produsertvann varierer fra felt til felt og fra brønn til brønn innenfor det samme feltet. I tillegg vil også sammensetningen variere over tid i én og samme brønn. Hvert minutt behandler norske oljeplattformer ca 400 m<3>

vann. En stadig mer moden norsk sokkel med mindre olje og mer vann har ført til en kraftig økning av produsertvann. I 2007 ble det behandlet ca. 200 millioner m<3>produsertvann på norsk sokkel. Rundt 90 prosent av dette ble sluppet ut i sjøen.

Den norske patentsøknaden, NO20091364, vedrører en fremgangsmåte for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsert vann, hvori i et første trinn det hydrokarbonholdige produserte vannet tilføres og blandes med en gassholdig komponent, hvorpå den gass- og hydrokarbonholdige produsertvannblandingen mates til et innløpsrør i senteret av en tank, hvorpå nevnte blanding fordeles tangentielt langs tankveggen via minst ett rør med minst én utløpsdyse og minst én ledeplate, montert under hvert innløp, som leder vann over det neste innløp, hvorpå hydrokarboner og gass med vedhengte oljedråper vil stige til minst ett utløp fra tanken og blir tømt; og renset vann føres til et utløp i bunnen av tanken.

Fremgangsmåten omfatter videre et andre trinn hvor en andel av en

gassholdig vannblanding fra bunnutløpet resirkuleres via en strøm og mates et annuluskammer og videre mates tangentielt via minst én dyse og minst én ledeplate motstrøms eller medstrøms den nedadgående vannblandingen fra det første trinnet. Vannblandingen fra første trinn mates til minst ett separat

trinn, via minst én separasjonsplate og minst ett annuluskammer, og fordeles videre tangentielt via minst én dyse og minst én ledeplate. En nedadgående vannblanding kan mates over et sjikt av et pakkemateriale.

For store flotasjonstanker, over ca. 50 m<3>har ikke fremgangsmåten og apparaturen i NO 20091364 fungert optimalt fordi vannstrømmen fra ett fordelingsrør ikke er blitt ordentlig blandet med det innkommende vannet fra det neste fordelingsrøret.

For å oppnå optimal blanding og følgelig optimal rensing av produsertvannet, har oppfinneren funnet at ledeskinner eller ringformede vegger som er anordnet på innsiden av ledeplaten(e) 8.1 i en vinkel på 30° til 150° i forhold til ledeplatene 8 sikrer en jevn strøm i den ytre del av flotasjons-tanken. Vannet styres langs hele ledeplaten 8.1 og dermed møter den innkommende strømmen fra det neste fordelingsrør. Denne løsningen har vist seg å være effektiv for bedre rensing av prosessvannet, og er ikke avhengig av størrelsen av tanken.

I den foreliggende oppfinnelsen kan trinnene nevnt ovenfor utføres i den rekkefølge som anses egnet for formålet med oppfinnelsen. Videre kan de ulike trinnene gjentas en rekke ganger dersom dette anses å være egnet.

Den foreliggende oppfinnelse beskriver apparatur for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsertvann hvor apparaturen omfatter det følgende:

- en separasjonstank,

- minst ett innløpsrør,

- minst en forgreningsanordning som fordeler strømmen av produsert vann, minst ett fordelingsrør som ender i en utløpsdyse og minst én ledeplate, - minst én ledeskinne anordnet helt eller delvis langs den minst ene ledeplaten i en vinkel i forhold til den minst ene ledeplaten mellom 30° og 150°, - minst ett utløp fra tanken for renset vann;

- minst ett utløp for separerte hydrokarboner.

Videre omfatter oppfinnelsen en fremgangsmåte for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsertvann, hvori det hydrokarbonholdige produsertvannet tilføres og blandes med en gassholdig komponent, hvorpå blandingen av gass og hydrokarbonholdig produsertvann mates til et innløpsrør inn i tanken, hvorpå nevnte blanding via en forgreingsanordning fordeles tangentielt langs tankveggen via minst ett fordelingsrør med minst én utløpsdyse og minst én ledeplate montert under hver utløpsdyse, en ledeskinne leder vannet over den neste utløpsdysen, hvorpå hydrokarboner og gass med påhengte oljedråper vil stige opp til minst ett utløp fra tanken og tømmes ut, og renset vann føres til et utløp i bunnen av tanken.

Kort beskrivelse av figurene

Utførelsesformer av oppfinnelsen vil nå bli beskrevet med referanse til

de følgende figurene:

Figur 1 viser rensesystem for produsertvann.

Figur 2 viser detalj som vedrører toppen av en dyse.

Figur 3 viser et rensesystem med tre trinn hvor trinn 37 vist i figur 4 er

et separat trinn som er gjentatt to ganger.

Figur 4 viser et separat trinn 37 som kan gjentas så mange ganger som ønskelig. Figur 5 viser to seksjoner inne i en separatortank med en ledeskinne i form av en indre ringformet vegg. Figur 6 viser de samme seksjonene inne i en separatortank som i figur 5, sett nedenfra. Figur 7: Diagram som viser effekten av en separasjonsprosess.

Detaljert beskrivelse

Formålet ved foreliggende oppfinnelse kan oppnås ved de karakteristiske egenskaper som vist i den følgende beskrivelsen av oppfinnelsen.

I figur 1 kan produsertvann fra olje/ vann separator eller annet renseutstyr som hydrosykloner, avgassingstank eller lignende mates inn

gjennom innløp 1. Dette vannet tilføres med gass via gassinjeksjonspunkt 2 og blandes sammen med innkommende vann i en gassblander 3. Alternativt erstattes gassblanderen 3 med en injektor (ejektor) med innkommende vann som drivende kraft og som suger gass gjennom røret 4 fra toppen av tanken. Typiske gassmengder tilsatt eller sirkulert er fra 0,02 til 0,2 Sm<3>pr. m<3>vann. Dette vil variere med hvor mye restgass som er tilstede i det innkommende vannet. Denne blandingen av gass og oljeholdig vann blir matet inn i et indre rør i tanken via bunnen 5. I toppen av det indre røret er det en forgreningsanordning 6 som fordeler vannet til ett eller flere fordelingsrør 40 med utløpsdyser 7 for kontroll av hastigheten på gass/vannblanding inn i tanken. Disse ender tangentielt langs tankveggen. På grunn av den tangentielle avslutning på rør/dyser i tanken, oppnås det en sirkulasjon i tanken som gir en blanding av vann, gass og olje. Dette medfører god kontakt mellom gassbobler og oljedråper. For å unngå at vannet fra dysene ikke skal gå direkte nedover i tanken, men blandes med innkommende vann/gass er en ledeplate 8 montert under hvert av utløpsdysene, som er innløpene for strømmen inn i tanken. Dette leder vannet over det neste innløpet slik at vann hvor store gassbobler er frigjort blir blandet sammen med innkommende vann for bedre blanding/kontakt mellom gass og oljedråpene. En ledeskinne 39 anordnes på innsiden av ledeplaten 8.1 med en vinkel på 30° til 150° i forhold til ledeplaten 8.1 for å sikre at strøm fra én

utløpsdyse 7 møter strøm fra den neste utløpsdysen 7. Dette arrangementet er vist i figur 5. I denne utførelsesformen er ledeskinnen 39 festet som en indre ringformet vegg i en nær vertikal stilling (ca. 90°) i forhold til ledeplaten 8.1. Ledeskinnen 39 kan også være diskontinuerlig anordnet på innsiden av ledeplate 8.1.

For å få god blanding også i senteret av tanken er en regulerbar dyseanordning 26 montert på toppen av innløpsrøret, se figur 2 og 3. Denne sprer væske/gassblandingen fra senteret og utover, og blander denne med væske/ gassblandingen fra utløpsdysene 7. Gass med påhengte oljedråper vil stige til væskeoverflaten i tanken og sammen med noe vann bli tatt ut i et nedsenket utløp 9 i toppen av tanken. Denne tømmingen blir kontrollert ved hjelp av en ventil 10. Blandingsforholdet olje/vann i denne strømmen er avhengig av ventilåpningen.

Vannet med gassbobler som har mindre stigehastighet enn vannhastigheten nedover i tanken vil passere en "seng" av pakkematerialer valgt fra gruppen omfattende bl.a. Raschig ringer 11 eller lignende, og til hvilke gassbobler med påhengt olje er festet til, for så å vokse sammen og dermed oppnå en oppdrift som overstiger den nedadgående vannhastigheten og flyter opp til overflaten. Rent (behandlet) vann som kommer ut fra denne "sengen" vil føres ut i utløpet 12 i bunnen av tanken og videre til utslipp 13 eller eventuelt injeksjon inn i reservoaret som trykkstøtte. Denne mengden måles på strømningsmåleren 14. En delstrøm 15 fra vannutløpet fra tanken vil ved hjelp av en pumpe 16 bli sirkulert tilbake til tanken. Mengden som resirkuleres styres ved hjelp av en ventil 17. Gass via et injeksjonspunkt 18 blir tilsatt og mates deretter gjennom en blander 19 som blander gassen inn i vannet. Alternativt kan gass suges fra toppen av tanken 20 ved hjelp av en injektor som erstatter blanderen 19. Typisk gassmengde vil være 0,05 til 0,3 Sm<3>pr. m<3>vann. Typisk resirkulasjonsmengde vil være 30 til 70 % av maksimum designrate for tanken. Resirkulasjonsmengden vil bli avlest på strømningsmåler 21. Utenpå det indre røret 22 i tanken er det et ytre rør som er tett mot det indre røret i begge ender. Det dannes derved et kammer 23 mellom disse rørene som resirkuleringsstrømmen 15 går inn i. I toppen av dette kammeret er det en forgreningsanordning 24 som fordeler vannet til ett eller flere rør med utløpsdyser 25 for kontroll av hastigheten på gass/vannblandingen inn i tanken. Disse ender tangentielt langs tankveggen. For å unngå at vannet fra dysene ikke skal gå direkte nedover i tanken, men blandes med innkommende vann/gass er minst en ledeplate 8.2 montert under hvert av innløpene. Denne leder vannet over neste innløp slik at vann hvor store gassbobler er frigjort blir blandet sammen med innkommende vann for bedre blanding/kontakt mellom gass og oljedråpene. Alternativt kan denne strømmen fordeles tangentielt i hvilken som helst avstand fra innløpsrøret med underliggende ledeplate og en ytre vertikal vegg. Alternativt kan denne strømmen også fordeles vertikalt oppover fra utløpet av røret. Alternativt kan de ovenfor nevnte fordelingene rettes motstrøms av den beskrevne fordelingen som vedrører utløpsdysene 7. På denne måten vil vann som blir separert ut fra det øvre dysesett/blanding tilført rent vann/ gassblanding og olje som måtte følge dette vannet på ny komme i kontakt med gassbobler som blir blandet inn i vannet og dermed oppnå en ny kontaktsone for olje/gass som medfører bedre rensing. Alternativt kan en delstrøm av innkommende vann mates gjennom det samme innløpet. Vannet som mates via resirkuleringen følger vannfasen ut i bunnen 12 av tanken. For å øke oljedråpestørrelsen i det innkommende vannet kan kjemikalier tilsettes, som for eksempel flokkulanter, oppstrøms fra enheten.

For ytterligere rensing kan flere tanker kobles i serie.

Alternativt kan hver enkel dyse ha en injektor som suger gass via et rør 4 fra toppen av tanken. Dette røret kan være plassert utvendig eller innvendig i tanken.

Alternativt kan innløpsrøret strekke seg fra toppen av tanken og nedover. Alternativt kan vannet renses i flere trinn internt i tanken ved at vann fra det øvre rensetrinnet via utløpsdyser 7 føres via et annuluskammer 28 mellom tilførselsrøret 27 og et utenpåliggende rør 29 og hvor det øvre kammeret er adskilt ved hjelp av en plate 30, se figur 3. Et detaljert utsnitt av annuluskammeret er vist i figur 4. En separasjonstank kan inkludere flere seksjoner separert av en plate og annuluskammeret som vist i figur 4. Før vannet kommer inn i nevnte annuluskammer er en virvelbryter 38 tilstede som hindrer vann fra senteret av tanken i å komme inn i annuluskammeret. Dette er for å hindre medrivning av olje fra toppen av tanken. Vannet føres derfra via forgreningsanordningen 31 som fordeler vannet til ett eller flere rør med utløpsdyser 32 for kontroll av hastigheten på gass/vannblanding inn i et nytt kammer. Disse dysene ender tangentielt langs tankveggen. Alternativt kan gass tilføres til denne strømmen via gasstilsats 34. En typisk gass vil være nitrogen, hydrokarbongass(brenngass), CO2, men er ikke begrenset til disse. Olje og gass, som skilles ut i dette kammeret, tas ut via rejektutløp 36 og kombineres med rejektutløp 20 og 35. Alternativt kan det installeres flere separate trinn som beskrevet tidligere under hverandre hvor disse trinnene har den samme funksjonen. Figur 5 som beskrevet over viser et snitt av to seksjoner inne i en separasjonstank. Den indre ringformede vegg/ledeskinne 39 er festet på innsiden av ledeplatene 8.1, rettet oppover. I denne utførelsesformen er den ringformede veggen anordnet nesten 90° på ledeplatene 8.1. Høyden av ledeskinnen 39 kan være nesten enhver høyde, men generelt er det foretrukket at den korresponderer med bredden på ledeplatene 8.1. Innløps-røret 27 og annuluskammeret 28 er vist i figuren. Figur 6 viser den samme utførelsesformen som figur 5, men fra en annen vinkel. Her kan ledeplatene 8.1 sees nedenfra. Gass kan injiseres gjennom rør 34 til annuluskammeret. Olje og gass som separeres i dette kammeret fjernes via rejektutløpet 36.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer således en løsning som gjør at installasjonen blir mer kompakt og mer effektiv. Dagens kjente teknologi innenfor dette område bruker flere rensetrinn i serie. Den foreliggende løsningen har flere rensetrinn i samme tank. Videre skal det presiseres at den foreliggende oppfinnelsen kan utøves med de ovenfor omtalte rense-trinnene i den rekkefølgen og i det antallet som anses hensiktsmessig. Dette vil redusere kostnadene, redusere nødvendig plasskrav og derfor være hensiktsmessig forflere kunder. Pga. dens utforming vil den være enklere å bygge og også lettere å tilpasse i eksisterende installasjoner enn tanker med for eksempel utvendig tangentielt innløp.

Foreliggende fremgangsmåte og apparatur omfatter følgende:

Fremgangsmåte og apparatur for separasjon av olje/ hydrokarboner i væske- eller gassform fra produsertvann i oljeproduksjon, separasjon av andre væsker /gasser med egenvektforskjell og som ikke er oppløst i hverandre, som består av: a. En vertikal trykktank med forskjellig høyde/ diameter forhold avhengig av det som skal separeres. b. Hvor innløpsstrømmen, bestående av det som skal separeres, mates inn i et innløpsrør i tanken med mulighet for tilsetting av gass via resirkulering fra toppen av tanken via en ejektor (avleder) eller ekstra ekstern gass som f.eks. nitrogen, karbondioksid, hydrokarbongass som f.eks. separeres ut fra produksjonsseparatorer, men er ikke begrenset til disse. c. En fordelingsanordning i toppen av beskrevet innløpsrør i punkt b ovenfor og som fordeler tilførselen i ett eller flere fordelingsrør som ender opp tangentielt langs rørveggen og minst én ledeplate under disse strekker seg nær horisontalt, noe oppover. En ringformet vegg eller ledeskinner er festet til ledeplater på innsiden rettet oppover i en vinkel på mellom 30° og 150° helt eller delvis langs lengdene av ledeplatene. Dette arrangementet sikrer at strømmen fra minst ett fordelingsrør rettes over det neste fordelingsrør for å skape et spinn (sirkulasjon) i tanken og en homogen strøm som gir god blanding av gass/ væske i denne del av tanken. d. En regulerbar dyseanordning montert på toppen av innløpsrøret beskrevet i punkt b ovenfor. Denne anordning sprer væske/gassblandingen fra senteret og utover i tanken og blandes med væske/ gassblandingen fra dyserøret beskrevet i punkt c.

e. Et rør utenpå tilførselsrøret beskrevet i punkt c og som er tett i begge ender mot tilførselsrøret beskrevet i c og danner et annuluskammer hvor en resirkulert strøm fra renvannsutløpet kan resirkuleres sammen med gass tilsatt i en blander eller med resirkulert gass fra toppen av tanken via en ejektor. Alternativt kan en del av tilførselsstrømmen mates inn i det beskrevne annulusrøret.

f. Der hvor det beskrevne annulusrøret har en fordelingsanordning som beskrevet i punkt c, men plassert lavere enn fordelingsrøret beskrevet i c der matestrømmen kan fordeles tangentielt i hvilken som helst avstand fra

senterrøret mot tankveggen retningsstyrt medstrøms eller motstrøms fordelingsstrømmen beskrevet i punkt c. Ledeplaten har en ytre vertikal vegg som er 2 til 10 ganger høyere enn fordelingsrøret ved fordeling nærmere enn tankvegg. Alternativt kan fordelingsrørene rettes horisontalt oppover.

g. Hvor renset væskeutløp er i bunnen av tanken.

h. Hvor nedovergående væskestrøm passerer en "seng" av gass-koaliserende materiale (pakkemateriale) hvor små gassbobler med påhengte dråper/partikler bygger seg sammen til større og får oppdrift til å stige til overflaten. i. Hvor gass og olje som er separert blir fjernet fra toppen av tanken via et neddykket rør i en høyde mellom 5 og 20 % av tankhøyden fra toppen av tanken hvor mengden som fjernes reguleres ved hjelp av en ventil.

j. En gass"pute" i toppen av tanken dannes på grunn av røret beskrevet i punkt (i), som er buffer for resirkulering av gass.

k. Hvor trykket i tanken kontrolleres ved hjelp en ventil i utløpsrøret.

Eksempel 1:

Eksempel 1 viser rensing av vann fra en avgassingstank hvor de øverste kurvene viser hydrokarboninnhold i produsertvann som føres inn i tanken.

Figur 7 viser effekten av fremgangsmåten for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsertvann hvor vannet har blitt tilført en gassholdig komponent, og hvor den gass- og hydrokarbonholdige produsertvannblandingen har blitt matet til et innløpsrør i senter av en tank. Videre har den nevnte blandingen blitt fordelt tangentielt via minst én dyse og minst én ledeplate, og de fraseparerte hydrokarbonene har blitt ført til et utløp fra tanken og renset vann har blitt ført til et utløp fra tanken. Kurvene nederst viser det gjenværende innholdet av hydrokarboner som har blitt ført til et utløp for renset vann.

Det er viktig å merke seg at ytterligere rensetrinn kan utføres i henhold til de ulike trinnene og utførelsesformene som beskrevet i det foregående.

Når foretrukne utførelsesformer ved foreliggende oppfinnelse er beskrevet, vil det være åpenbart for fagfolk at andre utførelsesformer som inkorporerer konseptene kan anvendes. Disse og eksempel illustrert i det foregående er tenkt bare som eksempel og det faktiske omfang av oppfinnelsen skal bestemmes fra de følgende patentkrav.

Claims (7)

1. Apparatur for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsertvann som omfatter: - en separasjonstank, - minst ett innløpsrør (22, 27), - minst én forgreningsanordning (6) som fordeler strømmen av produsertvann, minst ett fordelingsrør (40) som ender i en utløpsdyse (7) og minst én ledeplate (8.1) montert under hvert innløp og som leder vann over den neste utløpsdysen; - minst ett utløp(12) i bunnen av tanken for renset vann og -minst ett utløp (9, 35, 36) for uttømming av stigende gass med påhengte oljedråper, karakterisert vedat minst én ledeskinne (39) er festet helt eller delvis langs innsiden av minst én ledeplate (8.1) i en vinkel på 30° til 150° i forhold til den minst ene ledeplaten (8.1).

2. Apparatur ifølge krav 1, hvori ledeskinnen (39) strekker seg oppover fra den minst ene ledeplaten (8.1) i en avstand tilsvarende bredden av den minst ene ledeplaten (8.1).

3. Apparatur ifølge krav 1 eller 2, hvori ledeskinnen er anordnet på innsiden av minst en ledeplate (8.1) i en vinkel på 50° til 120°.

4. Apparatur ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 3, hvori ledeskinnen er i form av en ringformet vegg, festet til den minst ene ledeplaten.

5. Apparatur ifølge et hvilket som helst av kravene 1 til 4, hvori minst én plate (30) separerer separasjonstanken i minst to kamre.

6. Apparatur ifølge krav 5, hvori apparaturen videre omfatter minst én virvelbryter (38) og minst ett annuluskammer (28) som omslutter innløpsrøret (22, 27) og som har minst én forgreningsanordning (31).

7. Fremgangsmåte for separasjon av hydrokarboner fra hydrokarbonholdig produsertvann i en trykktank, hvori det hydrokarbonholdige produsertvannet tilføres og blandes med en gassholdig komponent, hvorpå blandingen av gass og hydrokarbonholdig produsertvann mates til et innløpsrør (22, 27) i senter av en tank, hvorpå nevnte blanding via en forgreingsanordning (6) fordeles tangentielt langs tankveggen via minst ett fordelingsrør (40) med minst én utløpsdyse (7), karakterisert vedat nevnte blanding ledes over det neste innløp ved minst én ledeplate(8.1) montert under hvert innløp og minst én ledeskinne (39) festet til minst én ledeplate i en vinkel på 30 til 150°, hvorpå hydrokarboner og gass med påhengte oljedråper vil stige opp til minst ett utløp (9, 35, 36) fra tanken og tømmes ut; og renset vann føres til et utløp (12) i bunnen av tanken.