NO314389B1 - Fremgangsmate for separering av olje, vann og gass i en separator ved bryting av vann-i-olje emulsjoner - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for separering av olje, vann og gass i en separator ved brytning av vann-i-olje emulsjoner i en blanding omfattende en vann-, olje- og eventuelt en gassholdig fase.

Råoljeproduksjonen på den norske kontinentalsokkelen står overfor nye utfordringer. Mange av oljefeltene som er oppdaget de siste årene er økonomisk marginale på grunn av deres størrelse og lokalisering. Behovet for å redusere produksjonskostnadene er således åpenbar. Separeringen av olje og vann og eventuelt gass fra slike felter vil mest sannsynlig stå overfor de samme typer problemer som observert på større felter i produksjon i dag. Et av de største produksjonsproblemene er dannelsen av emulsjoner stabilisert av polare tungråolje-komponenter som asfaltener, harpikser og vokser. Slike problemer kan løses ved tilsetning av kjemikalier eller ved anvendelse av mekaniske separasjonsanlegg. Kostnadene på disse løsningene er imidlertid vanligvis store, og søken etter nye og effektive separasjonsverktøyer er av største prioritet. Miljøforhold som vedrører anvendelsen av kjemikalier er en ytterligere ulempe. For tiden er det en økende utfordring å bruke grønnere og mer miljøvennlige kjemikalier enn det som normalt pålegges av statlige myndigheter.

Anvendelsen av en hydrofil gass, slik som f.eks. CO2, oppløst i vann som en mulighet til å øke separerbarheten til en vann og olje er i og for seg kjent. Vanligvis blandes CO2 med vannfasen ved et tidlig trinn i separasjonsprosessen, og emulgeringen finner sted med en vandig fase rik på oppløst CO2. Ved å senke trykket i separatoren, vil det skje en frigjøring av CCVet og samtidig vil den olje-kontinuerlige emulsjonen brytes.

Det er vel kjent at CO2 vil danne gasshydrater ved lave temperaturer og høye trykk. Separasjon og injeksjonsforhold bør derfor være langt fra de termodynamiske betingelsene for gasshydratdannelse. Videre kan oppløst C02 utgjøre en fare med hensyn på korrosjon og lav pH. Disse forholdene må det tas hensyn til ved utforming av en fremtidig prosess og ved valget av materialene.

Det vil være mest fordelaktig å tilsette CO2 i en to-fase strøm med vann og olje, dvs. før emulgeringen av fasene. Det injiserte, polare CO2 foreligger mellom de to fasene i den olje-kontinuerlige emulsjonen. Ved trykkreduksjon (f.eks. i separatoren) vil to prosesser begynne: i) CO2 oppløst i den vandige fasen (dråpene) vil raskt koalesere og danne små bobler ved en trykkreduksjon. På grunn av gravitasjon vil disse boblene propagere gjennom det emulgerte systemet. Når dråpen forlater vanndråpen må den passere en fasegrense bygget opp av opprinnelige polare surfaktanter (asfaltener, harpikser og vokser). Som en konsekvens vil grenseflaten briste. Hvis CCh-boblene bærer med seg overflateaktivt materiale fra grenseflaten (flotasjonseffekt), vil tiden for at grenseflaten igjen skal dannes mest sannsynlig være mye lengre enn koalesenstiden. Således vil systemet brytes og vann- og oljefase vil oppstå.

ii) CO2 oppløst i oljefasen vil også raskt koalesere og danne bobler ved en trykkreduksjon. På grunn av oppdriftskrefter vil boblene propagere gjennom det emulgerte systemet. De vil da rive av overflateaktivt materiale fra o/v-grenseflaten beskrevet som en flotasjonseffekt. Denne effekten er ikke spesifikk for CO2 men vanlig for alle løselige gasser under boblepunktet.

NO B 171 096 beskriver en fremgangsmåte og et apparat for separering av en dispergert fase fra en kontinuerlig fase ved hjelp av oppløst gassflotasjon. Gassen er, fortrinnsvis før trykkreduksjon, oppløst i væskesystemet. Etter hvert som trykket reduseres, frigjøres den oppløste gassen og således dannes gassbobler som forbedrer rotasjonen og derav separasjonen.

US A 4 251 361 som beskriver en gassflotasjonsseparator for separering av olje og vann ved hjelp av gass, f.eks. C02f er oppløst i væsken og frigjøres etter hvert som trykket reduseres. Gassboblene som således dannes i væsken forbedrer flotasjonen.

EP A2 298 610 beskriver en fremgangsmåte for oljefjerning fra olje-vann emulsjoner ved hjelp av flyktige hydrokarboner som danner et to-fase system når de er i kontakt med emulsjonen under trykk for å bevirke utskiftningen av minst noe av oljen i emulsjonsfasen og oppløst i den flyktige hydrokarbonfasen. Når trykket reduseres, fordampes det flyktige hydrokarbonet og emulsjonen separerer til en vannfase og en oljefase.

Publikasjoner som beskriver teknikkens stand henvist til ovenfor angår anvendelsen av CO2 som separasjonspromotor som alle er basert på flotasjon av oljedråper, når formålet er å fjerne relativt små mengder av olje i en kontinuerlig vannfase.

Videre er representative, men ikke uttømmende, dokumenter innen teknikkens stand GB A 2 323 048, US A 5 580 464 og US A 3 884 803.

Det er ønskelig å tilveiebringe en fremgangsmåte for separering av olje, vann og gass i en separator ved brytning av vann-i-olje emulsjoner i en blanding omfattende en vann-, olje- og eventuelt en gassholdig fase.

I henhold til denne oppfinnelsen tilveiebringes det en fremgangsmåte for separering av olje, vann og gass i en separator ved brytning av vann-i-olje emulsjoner i en blanding omfattende vann-, olje- og eventuelt en gassholdig fase, som er kjennetegnet ved de følgende trinnene: a) oppløsning av en gass omfattende én eller flere komponenter i blandingen før separatoren, hvor den oppløste gassen velges fra polare komponenter som er vannløselige, fortrinnsvis hvor den oppløste gassen velges fra CO2, N2, O2, og blandinger derav, og mer foretrukket hvor den oppløste gassen er CO2, hvor den oppløste gassen velges fra upolare komponenter som er oljeløselige, fortrinnsvis hvor den oppløste gassen velges fra H2, CH4, parafiner og blandinger derav,

hvor mengden av vannfasen er minst 1 vekt% basert på total blanding,

b) innføring av blandingen i separatoren, hvor trykk i separatoren er minst 2 bar, og c) redusering av trykket i separatoren for å lette separasjonen av olje, vann og den

eventuelt gassholdige fasen.

Fig. 1 er en kurve som viser vann separert i forhold til tid for en 1 % Råolje A i Exxsol D-80, vanninnhold 40 %. Trykket i separatoren ble redusert fra 65 bar til 1 bar etter 5 min. Fig. 2 er en kurve som viser % vann separert i forhold til tid for en Råolje A, vanninnhold 40 %. Trykket i separatoren ble redusert fra 65 bar til 1 bar etter 5 min. Fig. 3 er en kurve som viser % vann separert i forhold til tid for en Råolje B, vanninnhold 40 %. Trykket i separatoren ble redusert fra 65 bar til 1 bar etter 5 min. Fig. 4 er en kurve som viser % vann separert i forhold til tid for en Råolje C, vanninnhold 35 %. Det er ikke noe trykkfall i separatoren. Fig. 5 er en kurve som viser % vann separert i forhold til tid for en Råolje C ved flere nivåer av vanninnhold - med og uten CO2. Trykket i separatoren ble redusert fra 65 bar til 1 bar etter 2 min. Fig. 6 er en kurve viser % vann separert i tid for en Råolje A ved flere nivåer av vanninnhold - med og uten CO2. Trykket i separatoren ble redusert fra 65 bar til 1 bar etter 2 min.

Den foreliggende oppfinnelsen angår anvendelsen av en polar gass som separasjonspromoter for bryting av vann-i-olje emulsjoner i en blanding omfattende en vann-, olje- og eventuelt en gassholdig fase, hvor formålet er å separere vannfasen (den dispergerte fasen) fra oljefasen (den kontinuerlige fasen) for å bryte emulsjonen og separere til de opprinnelige komponentene.

Den polare gassen oppløses direkte i vannfasen før fasene blandes, eller gassen oppløses motstrøms i blandingen før blandingen innføres i separatoren.

I fig. 1-6 er det eksperimentelt vist at en polar gass, slik som C02, kan akselerere brytningen av råoljebaserte emulsjoner. Imidlertid er ikke dette mulig for alle typer råoljeemulsjoner, men formodentlig er det mulig bare for disse typer råoljeemulsjoner som er partikkelstabilisert. I henhold til den foreliggende oppfinnelsen er det vist at bare noen typer råoljeemulsjoner vil være effektive.

Blandingen omfattende en vann-, olje- og eventuelt en gassholdig fase inneholder uorganiske eller organiske partikkelformede faststoffer, hvor mengden av uorganiske eller organiske partikkelformede faststoffer er minst 0,01 vekt% basert på den totale blandingen, fortrinnsvis hvor mengden er i området på 5-15 vekt%.

De organiske partikkelformede faststoffene er av nanostørrelse og består av asfalten, metallorganisk syre, som kalsiumnaftenatpartikler, eller vokspartikler, som tungparafinpartikler, eller blandinger derav.

De uorganiske partikkelformede faststoffene består av leire, utfelt metallsalt eller skaleringspartikler som kalsiumkarbonat, bariumsulfat eller blandinger derav.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen vil anvendelsen av CO2 være effektiv i en gravitasjonsseparator og mest effektiv 1 en separator av satstype (satsprosess), og emulsjonen vil bli holdt noen få min. i separatoren og sedimentere før gasstrykket i separatoren reduseres. I en kontinuerlig prosess er effekten av innholdet av CO2 mye mindre.

Trykket i separatoren reduseres bare etter at blandingen er holdt i separatoren ved et bestemt tidsrom. Tidsrommet er minst ca. 2 min., fortrinnsvis hvor tidsrommet er i området fra ca. 2 til ca. 5 min., og mer foretrukket når tidsrommet er ca. 4 min.

Før trykkreduksjon i separatoren vil blandingen i alt vesentlig være stasjonær, og deretter vil den frigjorte gassen føre til brytning av vann-i-olje emulsjonene og således forbedre separasjon. Trykket i separatoren reduseres ved frigjøring av separatorgassen, som kan være valgt fra naturgass, nitrogen og kombinasjoner av disse.

Trykket i separatoren er minst ca. 60 bar, hvor trykket i separatoren reduseres til en verdi under separasjonstrykket til gassen i blandingen, og formålet er å redusere trykket i separatoren til et trykk under ca. 60 bar etter hvert som C02-gass frigjøres som en gass. Trykket i separatoren reduseres til slutt til 1 bar.

Jo mer emulsjonene er stabilisert av partikkelformede faststoffer (asfaltener), jo bedre fungerer trykkfall for fremgangsmåten. Spesielt vil små asfaltenpartikler av nanostørrelse være mest effektive. Hvis det ikke er noen slike partikkelformede faststoffer tilstede i emulsjonene, er effekten av det å tilsette C02 ikke helt klart positiv.

Mengden av vannfasen er minst ca. 10 vekt% basert på den totale blandingen. Fortrinnsvis er mengden minst ca. 30 vekt%, og mer foretrukket er mengden opptil

ca. 70 vekt%.

Til slutt er trykket av blandingen som går i separatoren minst ca. 10 bar. Fortrinnsvis er trykket minst ca. 30 bar, men kan være minst ca. 70 bar.

De følgende eksemplene er skaffet til veie med det formål å illustrere den foreliggende oppfinnelsen, og er ikke ment å være begrensende for de bredeste konseptene av den foreliggende oppfinnelsen. Med mindre noe annet er angitt er alle prosenter i vekt.

Data for forsøkene er opplistet i tabell 1. Pl betegner trykket til en blanding omfattende en vannfase og en oljefase fra et produksjonssted, P2 betegner at trykket av blandingen er redusert noe før innføring i separatoren, og P3 betegner trykket over innløpsspjeldet til separatoren som også gjelder for trykket i separatoren.

Råoljekarakteristikker av tre typer råoljeemulsjoner, angitt som Råolje A, Råolje B og Råolje C, er vist i henholdsvis tabeller 2, 3 og 4,

Råoljekarakteristikker av Råoljer A, B og C

Eksempler

Høytrykksseparasjonsprosessen styres av flere underprosesser blant dem både mekaniske og komposisjonelle effekter som synes å være avgjørende for et vellykket resultat. Mekaniske effekter involverer både trykkgradienter over innløpsspjeld (APbiand) og gassfrigjøring i separatoren (APsep). Den førstnevnte parameteren skal bestemme nivå av energidegradasjonen for det dispergerende systemet og derav dråpestørrelsen (og fordelingen) for de dispergerte dråpene. En stor gradient over innløpsspjeldet skal føre til små dråper. Nivå av APscp =

(Pitmiøp-Psiutt) refererer til gassfrigjøringsintensiteten i separatoren, og slutt-separeringen vil finne sted under boblepunktet til gassblåndingen. Den komposisjonelle tilstanden av råoljen påvirkes også av flere eksterne parametere,

blant dem starttrykket av blandingen omfattende vannfasen og oljefasen og sluttseparatortrykket hvorved separasjonen finner sted. Det er åpenbart at starttrykket og mengden av lette komponenter som blir blandet med de opprinnelige råoljekomponentene vil påvirke løseligheten av tunge komponenter og derav deres assosiasjonsnivå. De direkte forholdene i separatoren, slik som sammensetningen av separatorgassen og oppholdstiden, vil påvirke separasjonsprosessen. Hvis separatoren kjøres som en satsseparator, dvs. hvor separatoren fylles, vil emulsjonen kunne separere. Noen av forsøkene utføres på en måte slik at emulsjonen ble holdt ved et innløpstrykk i 2 eller S min. hvorved trykket ble redusert ved en avgassingsprosess. Under dette tidsrommet vil emulsjonen gjennomgå en sedimenteirngsprosess hvis dråpestørrelsen er stor nok. Effekten av propagerende gassbobler skal være større hvis hoveddelen av vanndråpene komprimeres til et kompakt, pakket område. Til slutt vil den opprinnelige

sammensetningen av selve råoljene selvfølgelig påvirke hvordan en gassfrigjøring kan forbedre destabiliseringsprosessen. Asfaltenpartikler av liten nanostørrelse vil gi et høyt stabilitetsnivå siden den beskyttende v/o-grenseplaten vil oppvise en høy fasthet under disse forholdene.

I de første forsøkene er to forskjellige kandidater av Nordsjø-råolje testet, råoljer betegnet Råolje A og Råolje B. De har begge gitt svært stabile vann i råoljeemulsjoner, skjønt stabiliseringsmekanismene kan være forskjellige, som vist ved sammensetninger i tabeller 2 og 3. Råolje A er en tung råolje med et høyt innhold av asfaltener, mens Råolje B er en svært sur råolje med en høy mengde av naftensyrer. Således er en verdi av TAN (totalt syretall) av Råolje B høyere enn for Råolje A. I tillegg er det testet et modellsystem bestående av Råolje A (1 % av Råolje A i Exxsol D-80). Vesentlig for diskusjonen er at disse blandingene kjøres gjennom trykkreduksjoner hvor starttrykket (100 bar) er redusert til separasjonstrykket 65 bar. Separatoren ble kjørt som en satsseparator ved at emulsjonene ble plassert i separatoren i 5 min. før sluttrykket ble regulert som en gassfrigjøring fra 65 bar til 1 bar. Under disse forsøksbetingelsene oppsummerer fig. 1 og 2 separasjonen av vann fra de korresponderende emulsjonene. Den dispergerte vandige fasen er enten rent vann eller vann mettet med CO2.

Systemet hvor 1 % av Råolje A er fortynnet i Exxsol D-80 og kombinert med 40 % vann med og uten CO2 er vist i fig. 1. Separasjonsnivået av modellemulsjonene er mye lavere, men i dette tilfellet kan det klart ses en akselerasjon av gassfrigjøringen på separasjonen av vann. Effekten av CO2 er klart positiv og selektiv.

For Råolje A viser fig. 2 effekten av trykkgradienten over innløpsspjeldet til separatoren og tilsetningen av C02. Uten CO2 synes trykkgradienten (20 eller 5 bar) å ha mindre innvirkning på separasjonsprosessen. Emulsjonene er stabile, og bare 20-25 % vann separeres etter 20 min. Imidlertid akselereres i de fleste av tilfellene separasjonen ved frigjøring av C02 etter 5 min. Med en trykkgradient på 5 bar er det ingen betydelig forskjell på prøvene uten CO2. Imidlertid ses den store effekten for emulsjonen med en AP = 20 bar og en vandig fase mettet med CO2. For disse emulsjonene observerer man at så lenge separatortrykket holdes ved 65 bar (dvs. 5 min.), er separasjonsnivået lavt og nesten neglisjerbart. Etter 5 min. i separatoren, dvs. når trykkreduksjonen finner sted, vil mellom 50 og 60 % av vannfasen separere i løpet av 1-2 min., og etter 15 min. har 90 % av emulsjonen blitt brutt og separert til de opprinnelige komponentene. Dette er et enestående resultat for en råolje som har vist seg å gi svært stabile emulsjoner som er resistente overfor både kjemisk og mekanisk behandling.

Fig. 3 gir separasjonssekvensen for emulsjoner basert på Råolje B. Det er karakteristisk at noe separasjon for dette systemet finner sted allerede ved 65 bar. Vannseparasjonen er ved et nivå på minst ca. 10 %. Når gassen frigjøres etter 5 min., endres imidlertid separasjonsprofilen dramatisk. Alle kurvene (med forskjellige trykkfall over innløpsspjeldet til separatoren og med og uten CO2 i vannfasen) viser en akselerasjon av oppløsningen av vann. Imidlertid mistes selektiviteten mellom de forskjellige emulsjonene. Store effekter oppnås både med og uten CO2 i den vandige fasen og med små og mindre trykkgradienter over innløpsspjeldet til separatoren. Man kan ikke med sikkerhet knytte den økte separerbarheten til karbondioksidfrigjøring.

I alle forsøkene vist ovenfor er N2 anvendt som separatorgass.

De neste forsøkene (fig. 4) refererer til Råolje C som råoljen og en naturgass som separatorgassfasen. Sammensetningen av Råolje C er vist i tabell 4. Disse forsøkene er utført i henhold til varierende separatortrykk. Med andre ord er trykket etter innløpsspjeldet til separatoren også sluttseparatortrykket. Separatortrykket ble derfor holdt ved nivåer på 1, 40 og 75 bar, og mesteparten av de trykkrelaterte effektene vil finne sted over.innløpsspjeldet til separatoren. F.eks. når separatortrykket er under 60 bar, vil betydelige mengder av CO2 frigjøres allerede over innløpsspjeldet til separatoren. Separasjonsbildet som en helhet er heller «uoversiktlig», men etter en oppholdstid på 4 min. oppnås det beste resultatet for en mild blanding (AP = 10 bar) og et korresponderende høyt separatortrykk. Dette bildet synes å gjelde både for systemer med og uten CO2. Det er tydelig at dråpedannelsesbetingelsene synes å være den avgjørende faktoren hvis en satsseparator kjøres i henhold til disse spesifikasjonene. Det skal bemerkes at ingen trykkfrigjøring utføres i separatoren.

Fig. 5 og 6 viser påvirkningen av vanninnholdet for Råolje C og Råolje A på separasjonsprofilen ved 1 bar og med og uten C02. Fig. 5 viser separasjonsprofilen av Råolje C for vanninnholdende mellom 20 og 70 volum%. Det kan ses at induksjonstiden er høy, dvs. etter 4 min. er det bare en betydelig løsning av vann ved nivået på 15 %. Dette gjelder for sammensetningen med 70 % vann mettet med CO2. Den høyeste totale separasjonen (omtrent 45 %) oppnås for 70 % vann uten CO2. Generelt kan man konkludere med at råolje-baserte emulsjoner (Råolje C) gir en svært dårlig respons til separasjonsbetingelsene angitt i tabell 1. For emulsjonene basert på Råolje A, synes situasjonen å være mer gunstig med hensyn til løsningen av vann og olje. For høyere vanninnhold (dvs. > 30 %), synes påvirkningen av den frigjorte C02-gassen på separasjonseffektiviteten å være klar. I løpet av en normal oppholdstid på 4 min., har nesten 80 % av den vandige fasen separert hvis det totale vanninnholdet er så høyt som 60 %.

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for separering av olje, vann og gass i en separator ved brytning av vann-i-olje emulsjoner i en blanding omfattende en vann-, olje- og eventuelt en gassholdig fase, karakterisert ved de følgende trinnene: a) oppløsning av en gass omfattende én eller flere komponenter i blandingen før separatoren, hvor den oppløste gassen velges fra polare komponenter som er vannløselige, fortrinnsvis hvor den oppløste gassen velges fra CO2, N2, O2, og blandinger derav, og mer foretrukket hvor den oppløste gassen er C02) hvor den oppløste gassen velges fra upolare komponenter som er oljeløselige, fortrinnsvis hvor den oppløste gassen velges fra H2, CH4, parafiner og blandinger derav, hvor mengden av vannfasen er minst 1 vekt% basert på total blanding, b) innføring av blandingen i separatoren, hvor trykk i separatoren er minst 2 bar, og c) redusering av trykket i separatoren for å lette separasjonen av olje, vann og den eventuelt gassholdige fasen.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1 karakterisert ved at gassen oppløses direkte i vannfasen før fasene blandes, eller gassen oppløses motstrøms i blandingen før blandingen innføres i separatoren.

3. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at blandingen inneholder uorganiske eller organiske partikkelformede faststoffer.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved at mengden av uorganiske eller organiske partikkelformede faststoffer er minst 0,01 vekt% basert på total blanding, fortrinnsvis hvor mengden er i området på 5-15 vekt%.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at de organiske partikkelformede faststoffene er av nanostørrelse og består av asfalten, metallorganisk syre, som kalsiumnaftenatpartikler, eller vokspartikler, som tungparafinpartikler, eller blandinger derav.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at de uorganiske partikkelformede faststoffene består av leire, utfelt metallsalt eller skaleringspartikler som kalsiumkarbonat, bariumsulfat eller blandinger derav.

7. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at trykket i separatoren er minst 60 bar.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trykket i separatoren reduseres til en verdi under separasjonstrykket til gassen i blandingen.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at trykket i separatoren reduseres til 1 bar.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at trykket i separatoren reduseres bare etter at blandingen er holdt i separatoren ved et bestemt tidsrom.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 10, karakterisert ved at tidsrommet er minst 2 min., fortrinnsvis hvor tidsrommet er i området 2-5 min., og mer foretrukket hvor tidsrommet er ca. 4 min.

12. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at separatoren er en gravitasjonsseparator.

13. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at separatoren er en separator av satstype.

14. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at mengden av vannfasen er minst 10 vekt% basert på total blanding, fortrinnsvis hvor mengden er minst 30 vekt%, og mer foretrukket hvor mengden er opptil 70 vekt%.

15. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at trykket av blandingen som går inn i separatoren er minst 10 bar, fortrinnsvis hvor trykket er minst 30 bar, og mer foretrukket hvor trykket er minst 70 bar.