NO315312B1 - Separering av heterogene fluidblandinger - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder separatorer, det vil si innretninger for separering av heterogene ftuidblandinger slike at disses fluidkomponenter eller -faser blir skilt ut.

I en rekke industrielle anvendelser har man sett seg nødt til å separere minst to fluid eller fluidkomponenter som ikke er blandbare, for eksempel en gass og en væske, to ikke blandbare væsker eller fluidfasene i en ternær blanding av to væsker og en gass. Videre hender det ofte at en opprinnelig blanding inneholder faste partikler som det er ønskelig å føre inn på foretrukket måte i den ene eller andre av fraskilte fluidkomponenter.

For å få til dette fins det flere kjente fremgangsmåter, blant annet:

- Gravitasjonsseparatorer. Dette er apparater med betydelig volum og hvor en emulsjon blir behandlet over flere titalls sekunder. Den tilsvarende teknikk er kjent og inngår i ingeniørvitenskapen. Særlig bruker man dekanteringsmekanismer med innvendige parallelle plater. - Sentrifugeseparatorer. Dette er apparater som drives av en motor og hvor de tyngre bestanddeler eller faser blir skilt ved senrrifugering, mens de lettere komponenter på grunn av sentripetalkraften føres inn i et rotasjonsløp. Tangentialhastigheten av fluidet i apparatet vil være proporsjonal med fluidradien, hvilket begrenser utnyttelsen. - Syklonseparatorer. Dette er stasjonære maskiner som tilføres en blanding ute ved omkretsen og tangentialt, i den ytre vegg som Ugger lengst fra midtaksen. Det dannes et rotasjonsløp av fluidet og hvis tangentiale hastighet øker innover mot maskinens midtre, i det minste mot dens utløp. Flere utløp er gjerne anordnet nær maskinaksen, og væsken som føres ut passerer dem generelt i aksial retning. Virkningsgraden av syklonseparatorene er ganske god og de er brukt i stor utstrekning for å skille faste stoffer og væsker, for sortering av faste bestanddeler etter dimensjon eller for å skille to væskekomponenter fra hverandre. Denne type maskiner har likevel ulemper, særlig på grunn av friksjonen av fluidet som skal behandles, mot innerveggene. Denne friksjon har som virkning at det dannes en kraftig innvendig turbulens som gir tendens til sekundær blanding av de komponenter som blir skilt fra hverandre, friksjonen bremser fluidrotasjonen og gir betydelige effekttap. Skal to væskekomponenter skilles fra hverandre kan heller ikke slike maskiner arbeide godt hvis ikke dimensjonene er relativt beskjedne, typisk mindre enn 80 mm i diameter. Følgelig må man plassere flere separatorer i parallell dersom man ønsker å ha større ytelse. Dette er meget begrensende når man for eksempel skal skille vann og olje i bunnen av oljeborehull. - Rotasjonsseparatorer med fluidtilførsel i lengderetningen ute ved omkretsen. Slike separatorer har et hus som roterer om en langsgående akse, på samme måte som i en sentrifuge, men separasjonen utføres i et sylindrisk kammer. Fluidtilførselen tilføres dette kammer i aksial retning via kanaler som går parallelt med rotasjonsaksen og er anordnet ved omkretsen av sylinderkammeret. Utløpet av de separerte fluidkompo-

nenter skjer via sylindriske åpninger ytterst i rotasjonskammeret. En slik separator er beskrevet i fransk patent (FR) 2 592 324 fra 1986. I denne separator har man kunnet realisere en tilførsel i et roterende referansepunkt i forhold til en aksial retning og på slik måte at fluidet i det absolutte referansepunkt føres inn med en rotasjonshastighet som nesten er eksakt den samme som hastigheten i sylinderkammeret. Dette gjør det mulig å begrense de tangentiale friksjonsvirkninger i meget stor grad ute ved omkretsen i blandekammeret, og det man oppnår er altså et hastighetsfelt av virvelstrømstypen i dette kammer, nemlig et felt hvor den tangentiale hastighet er omvendt proporsjonal med rotasjonsradien. Hastigheten stiger følgelig raskt når man nærmer seg separatorens midtakse, hvilket har som virkning at den radiale vandringshastighet (migrasjonen) for de dråper eller partikler som skal skilles ut får meget stor hastighetsøkning. Slike separatorer far derved meget god virkningsgrad når det gjelder separeringen, selv om oppholdstiden for en blanding som skal separeres bare er i størrelsesorden ett sekund. Separatoren er av meget kompakt type, og en av dens viktigste egenskaper er at den kan bygges med store dimensjoner og slik at inntaket av en fluidblanding kan være opp til tyve ganger så stort som uttaket av en av komponentene. Slike separatorer har imidlertid også ulemper i de versjoner som er aktuelle og gjelder separasjon av to væsker som ikke kan blandes med hverandre, og disse ulemper er satt opp nedenfor. - Fraskilte lettere væsker vil alltid inneholde en relativt stor bestanddel av tyngre væsker, iblant er denne bestanddel den største.

- Trykktapet for den tyngre væskekomponent er relativt betydelig.

- Trykktapet for den lettere væske er tilnærmet den dobbelte av trykktapet for den tyngre væskekomponent. Trykkfallet blir derfor i enkelte tilfeller titalls bar. - Separatoren kan ikke behandle annet enn blandinger som inneholder en beskjeden bestanddel av lettere væske, typisk mellom 1 og 3 %. - Separatoren drives av en motor som er anordnet på siden og en tannkrans eller liknende, hvilket gjør at dimensjonene blir unødvendig store i sideretningen og hindrer bruken i rørledninger etc. med liten diameter, hvilket kan være et behov i oljebrønner.

Patentet US 3 405 803 gjelder en virvelseparator for klaring av en væskesuspensjon med partikkelinnhold. Denne separator har et virvelkammer (1) med konisk innvendig fasong, og uttaket av klaret væske skjer på samme side som tilførselen av råvæsken. Bare tyngre partikler blir tatt ut i enden (3) av virvelkammeret, på motsatt side av tilførselen.

En slik separator kan nok rense en væske som er i form av en suspensjon med partikler, men kan ikke gi reell separasjon av denne væskes bestanddeler.

Europeisk patentsøknad EP 37 347 beskriver en fremgangsmåte og en innretning for å skille ut partikler fra et fluid. Fremgangsmåten innebærer at den suspensjon som skal behandles føres inn i en retning som skrår svakt i forhold til et kammers sentrale lengdeakse slik at man får en vinkelhastighet ved innførselen, større enn ved uttaket. Innretningen (vist i patentsøknadens figurer 1, 5, 7, 8 og 9) har et konisk rota-sjonskammer (1), et utløp (12, 13) for renset suspensjon og fraskilte fraksjoner i motsatt ende av suspensjonsinntaket (8). Uttaket (12) for den tyngste fraksjon er ved omkretsen, det vil si der kammerets ytterdiameter er lik innerdiameteren av rotasjonskammeret (1). Ytterdiameteren av uttaket er faktisk dessuten øket ved en utvidelse, og dette fremgår av søknadens figurer 1, 5 og 7. Anordningen av de enkelte elementer hindrer etableringen av en syklonvirkning som trengs for å fa god separasjon, og for øvrig har separatoren særlig anvendelse der man kan bruke et hjelpefluid, den har store dimensjoner og arbeider med en midlere sentrifugeakselerasjon som er relativt liten, slik at den blanding eller suspensjon som skal behandles må ha relativt lang oppholdstid i separatoren.

På denne bakgrunn er det et mål med oppfinnelsen å søke å unngå de ulemper som er skissert ovenfor, og oppfinnelsen gjelder således både rotasjonsseparatorer med omkretstilførsel så vel som stasjonære separatorer, med den reservasjon at de arbeider med uvanlige karakteristiske egenskaper. Oppfinnelsen søker altså komme frem til en løsning som innebærer:

- begrensning av trykkfallet,

- integrasjon av separatoren i et rørsystem hvor det er rør med liten diameter, særlig produksjonsrør i en oljebrønn, - separasjon av fluidfraksjonene i en fluidblanding som består av to væsker og hvor mengden av hver av disse kan være betydelig, - integrasjon av separatoren i en grenlinje for en pumpe i de tilfeller separatoren er av rotasjonstypen,

- separasjon av fast materiale,

- reinjeksjon av fast materiale som er skilt ut fra den ene eller andre væskefraksjon,

- separasjon av gass fra et fluid,

- separasjon av gass, deretter væsker og faste bestanddeler i ett og samme apparat eller anlegg, - integrasjon av en sluttrinnsseparator i den ene eller andre av de væsker som skal separeres,

- iverksetting av regulering av uttaket av væske,

- sørge for anordninger som tillater å begrense fluktuasjoner i konsentrasjonen ved separatorens inngang, og - etablere anordninger som muliggjør optimalisering av tilførselen til separatoren.

I eksisterende typer separatorer skjer uttaket av den letteste væsketype vanligvis på tvers av lengderetningen i rør med liten diameter, og disse rør er ofte nær tilførselen av den blanding som skal separeres, iblant på motsatt side. Slike separatorer arbeider alltid med en beskjeden uttaksmengde ^, under 0,1/100 i forhold til hoveduttaket. Denne parameter er gitt av formelen 4 = Q/faR/V-ro<2>), hvor Q er totaluttaket i m Is, Ro er den ytre radius i meter på inngangen av separasjonssylinderen, mens Vpo er den tangentiale hastighet i m/s i samme punkt. Følgen av dette er at frak-sjons virkningene i separatoren blir meget store på grunn av den meget beskjedne uttaksfraksjon %. Trykkfallene er likeledes betydelige, selv om man har en intens fraksjon, siden opptaket av lett væske skjer der trykket i separasjonskammeret er lavest, det vil si ved den langsgående midtakse. Videre er det slik at det tvers over utløpet av lettere væske også føres en betydelig mengde tyngre væske, idet dette skyldes den resirkulasjon som oppstår ved utløpet av denne. Det som samles opp i uttaket for lettere væske er altså slik væske, men iblandet tyngre væske.

Med patentsøknaden EP 37 347 som utgangspunkt søker oppfinnelsen å videreutvikle teknikken, idet utgangspunktet altså er en innretning for separasjon av de enkelte bestanddeler i en heterogen fluidblanding og omfattende et separasjonskammer som i sin ene ende har et innløp og i sin andre ende et utløp, en første ringformet åpning som er koaksialt anordnet i separasjonskammeret, og en andre ringformet åpning som er koaksial med den første åpning og hvis ytterdiameter er mindre enn innerdiameteren av den første åpning. Separasjonskammeret har sylindrisk form, og ytterdiameteren av den første åpning er lik innerdiameteren av separasjonskammeret.

Videreutviklingen av denne generelle type innretning eller separator går ifølge oppfinnelsen ut på at separasjonskammeret har rent sylindrisk form, at ytterdiameteren av den første åpning er mindre enn separasjonskammerets innerdiameter, og at dette kammers utløp har en ringformet krans som strekker seg innover fra separasjonskammerets omsluttende vegg og innover mot dette kammers langsgående midtakse, et element med i alt vesentlig sylindrisk form og derfor benevnt utløpssylinder, en sentral blokk med sirkulært tverrsnitt, hvor utløpssylinderen er anordnet mellom kransen og den sentrale blokk og slik at kransen, utløpssylinderen og blokken alle far koaksial stilling i forhold til separasjonskammeret, på slik måte at den første åpning danner en ytre ringformet dyse mellom kransen og utløpssylinderen, og at den andre åpning danner en indre ringformet dyse mellom utløpssylinderen og den sentrale blokk.

De karakteristiske trekk ved oppfinnelsens innretning eller separator er altså slik at den lettere fluidfraksjon i en fluidblanding ikke opptas i sentrum av et turbulent omløp der trykket er minimalt, men ved en større radius hvor trykket er større, og dette reduserer trykkfallet i væskeblandingen under behandling.

Separasjonskammeret har sirkulært tverrsnitt. Kammeret kan være i alt vesentlig rent sylindrisk, men i motsetning til det som ofte har vært vanlig i den kjente teknikk søkes koniske eller avkortede kjegleformede kamre unngått. Videre er innløpet og utløpet aksialt skilt fra hverandre, hvilket gjør det lettere å skille fraksjonene fra hverandre under separeringen.

Et viktig trekk ved oppfinnelsen er at den første ringformede åpning, det vil si den som har størst diameter har denne diameter mindre enn innerdiameteren av separasjonskammeret, hvorved man får en tilfredsstillende syklonvirkning.

Den første åpning, som i oppfinnelsen danner en ytre ringformet dyse, tjener til uttak av den tyngre fraksjon væske og bør være dimensjonert slik at denne væske kan føres ut over alt rundt omkretsen slik at det ikke trengs tverrgående resirkulasjon slik det er påpekt som en ulempe i enkelte tradisjonelle syklonseparatorer.

I den foreslåtte løsning i oppfinnelsen vil man med begrepet "bredde av en ringformet åpning eller dyse" forstå forskjellen i diameter mellom den ytre og indre sirkel som avgrenser den.

For en dyse med gitt bredde vil det eksistere en minste gjennomstrømning av fluid eller væske som kan strømme under de gitte betingelser. Man søker derfor alltid å la separatoren arbeide med en ytelse som ligger over dette minimum, for uttaket av tyngre væske. Minstegrensen kan dels beregnes, dels finnes ved eksperimenter. For en syklonseparator med roterende yttervegg med innerdiameter omkring 100 mm, en rotasjonshastighet på 300 o/min vil den minste gjennomstrømning av væske gjennom en annulær dyse med ytterdiameter (D|) lik 70 mm og bredde 5 mm (innerdiameter Dj lik 65 mm) være omkring 10 liter per sekund. Denne størrelse kan reguleres ved å regulere dysebredden for utløpet av tyngre fluid.

Innerdiameteren (D3) av den andre åpning som utgjør den indre ringformede dyse, beregnet for uttak av lettere væske, representerer den nedre grense for rota-sjonsgjennomstrømning under virveldannelse. Ved en større diameter vil gjennom-strømningen i separatoren være gunstig slik at separasjonen foregår på korrekt måte. For mindre diametre vil fluidstrømmen i separatoren imidlertid danne en dødsone hvor den tangentiale strømningshastighet er proporsjonal med strømradien, og denne dødsone blir også trukket med i kraftig rotasjon. Ut fra et separasjonssynspunkt vil dødsonen egentlig være unyttig, men siden denne sone har et lite volum vil påvirkningen på separasjonsvirkningsgraden være tilnærmet null. Man kan si at i praksis vil en syklonseparator hvis innerste dysediameter D3 maksimalt er lik halvparten av innerdiameteren av veggen rundt separasjonskammeret ha like gode separa-sjonsegenskaper som hvis denne innerste diameter D3 var meget liten, men trykkfallet vil være langt mindre, for eksempel fra to til ti ganger mindre enn i en konvensjonell syklonseparator med enten fast eller roterende kammervegg. Fremdeles vil trykkfallet i første omgang i en syklonseparator ikke være avhengig av annet enn fraksjonen ^ på utgangen og diameterforholdet 8 = Dq/D3. I praksis vil trykkfallet variere med 8<2> når det i dyseutløpet for den tyngre væske ikke forekommer resirkulasjon. Jo mindre dysedia-meteren for den lettere væske er desto større blir trykkfallet, og denne tendens er i god overensstemmelse med de praktiske resultater man har fått og som er beskrevet i litteraturen.

Kvaliteten på separasjonen, særlig restforholdet mellom tyngre og lettere væske vil være avhengig av om det foregår resirkulasjon eller ikke i utløpet for den tyngre væske. Har man ingen resirkulasjon kan man således forvente et uttak av et separa-sjonsprodukt av lettere væske og nærmest helt fritt for tyngre væskefraksjon.

Ut fra denne presentasjon vil man forstå hvor uhyre viktig separasjonsdysene er i en væske/væske-separator.

Innfletningen eller separatoren ifølge oppfinnelsen er beregnet til å kunne behandle en blanding av to ikke blandbare væsker og med forskjellig tetthet, eventuelt med tilleggsinnhold av en gass eller en blanding av gass og faste bestanddeler.

I tillegg til å gjelde en separator omfatter også oppfinnelsen en fremgangsmåte for separasjon av de enkelte bestanddeler i en heterogen blanding, idet man innfører den blanding som skal behandles i en separator som omfatter et separasjonskammer som i sin ene ende har et innløp og i sin andre ende et utløp, en første ringformet åpning som er koaksialt anordnet i separasjonskammeret, og en andre ringformet åpning som er koaksial med den første åpning og hvis ytterdiameter er mindre enn innerdiameteren av den første åpning, idet separatoren særlig er slik at separasjonskammeret har rent sylindrisk form, at ytterdiameteren av den første åpning er mindre enn separasjonskammerets innerdiameter, og at dette kammers utløp har en ringformet krans som strekker seg innover fra separasjonskammerets omsluttende vegg og innover mot dette kammers langsgående midtakse, et element med i alt vesentlig sylindrisk form og derfor benevnt utløpssylinder, en sentral, blokk med sirkulært tverrsnitt, hvor utløpssylinderen er anordnet mellom kransen og den sentrale blokk og slik at kransen, utløpssylinderen og blokken alle far koaksial stilling i forhold til separasjonskammeret, på slik måte at den første åpning danner en ytre ringformet dyse mellom kransen og utløpssylinderen og at den andre åpning danner en indre ringformet dyse mellom utløpssylinderen og den sentrale blokk, og uttak av en tyngre fraksjon over den første ringformede åpning og en lettere fraksjon over den andre ringformede åpning..

Ifølge en første utførelse av oppfinnelsen er innløpet av blandingen i separasjonskammeret anordnet på tvers av roterende kanaler langs omkretsen og hvor i det minste utløpet strekker seg parallelt med separatorens langsgående midtakse, idet separatoren selv er av roterende type.

I en andre utførelse av oppfinnelsen er også innløpet til det roterende separasjonskammer på tvers av radiale roterende kanaler, idet væsken på forhånd er tatt ut som følge av friksjon mot roterende vegger anordnet utenfor det egentlige separasjonskammer.

Ifølge en tredje utførelsesform innføres den blanding som skal behandles via flere perforeringer i separatorens vegg, i et innløpsområde på motsatt side av utløpene, idet disse perforeringer går tangentialt inn i separasjonskammeret, idet dette er stasjonært.

I en fjerde utførelse av oppfinnelsen er separasjonskammeret stasjonært, men blandingen som skal gjennomgå separasjon injiseres i et tilførselskammer hvis diameter er større enn diameteren av det egentlige separasjonskammer. En slik anordning muliggjør reduksjon av inngangshastigheten i separatoren og slik at sjenerende emulgering kan unngås.

I en femte utførelse av oppfinnelsen injiseres en gass i det sentrale område i separatoren og i liten mengde, idet en slik mekanisme gjør det mulig å unngå etableringen av turbulens mellom strømningskjernen under kraftig rotasjon og den ytre gunstigere strømningssone. I bestemte tilfeller vil det ikke være nødvendig å injisere denne gass i tillegg, og den gass som naturlig forefinnes ved innløpet vil være tilstrekkelig. I et slikt tilfelle kan en overskytende gassmengde trekkes ut via et rør som er anordnet i midten av separatoren.

I en sjette utførelse er separatoren utrustet med en eller flere tilleggsutløp langs omkretsen, idet slike utløp gjør det mulig å samle opp partikler og en viss mengde tyngre fluid og deretter føre inn denne blanding i den ene eller andre av utgangs-strømmene, i midten av separatoren.

I en syvende utførelsesform kan dimensjonene av utløpsåpningene reguleres kontinuerlig ved å forskyve den sirkulære leppe eller krans som skiller de to utløp fra hverandre.

Andre karakteristiske trekk ved og fordeler med oppfinnelsen vil fremgå av beskrivelsen nedenfor, idet denne er av flere driftsformer, men ikke bør være å anse som begrensende for oppfinnelsen. Beskrivelsen støtter seg til tegninger, hvor: fig. 1 viser skjematisk oppfinnelsens prinsipp for en syklonseparator og hvor det er anordnet to dyser koaksialt i forhold til hverandre og skilt fra hverandre med en skarp sirkulær og koplanar kant med leppeform, fig. 2 viser skjematisk denne første ut-førelsesform hvor rotasjonen skjer i en roterende separator som tilføres væske for behandling via radiale innløp etter å være ført gjennom en friksjonsinjektor på innløpssiden, fig. 3 viser skjematisk den tredje utførelsesform hvor rotasjonen utføres i en roterende separator som tilføres væske via aksiale omkretsliggende innløp. Denne separator har likeledes omkretsliggende utløp som tillater innføring av partikler som er skilt fra i utløpsstrømmen for tyngre væske. Fig. 4a og b viser skjematisk forfra og undenifra den tredje utførelsesform hvor separatoren er stasjonær, mens rotasjonen utføres ved hjelp av åpninger som er avsatt i en skjerm på innløpssiden og hvor åpningene går tangentialt inn i separasjonskammeret. Separatoren har en uttrekkskrets for faste partikler i utløpet for lettere fluid. Innløpet er regulerbart ved innstilling av antallet åpninger. Fig. 5a og 5b viser skjematisk forfra og undenifra den fjerde ut-førelsesform, hvor væsketilførselen skjer via tangentiale innløp som munner ut i en sylinder hvis innerdiameter er større enn innerdiameteren av det egentlige separasjonskammer. Denne separator har videre et utløp for gass, i aksial retning. Fig. 6 viser skjematisk den femte utførelsesform av oppfinnelsen, hvor det er avsatt et injeksjonsløp for luft for å redusere friksjonen, idet utløpet av lettere fluid skjer tvers over en rørinnretning som er omsluttet av en lufthylse.

Fig. 7a og 7b viser skjematisk forfra og undenifra en separator ifølge oppfinnelsen og utrustet med detektorer for å registrere tilstedeværelsen av lettere væske i den tyngre væske, fig. 8a og 8b viser skjematisk forfra og fra undersiden en annen type separator ifølge oppfinnelsen og med en detektor for å registrere tilstedeværelsen av lettere væsker i den tyngre væske, fig. 9a viser skjematisk en variant som er egnet for nedsenkning i en oljebrønn, fig. 9b viser i større målestokk en del av denne variant, fig. 10 viser skjematisk nok en variant for nedsenkning, fig. 1 la viser skjematisk en separator ifølge oppfinnelsen og som er koplet bak en blander, og fig. 11b viser i større målestokk en del av denne sammenstilling, for å vise blanderen bedre.

Oppfinnelsens separator i de forskjellige utførelsesformer skal nå beskrives, og det vises til tegningene, fig. 1-11.

Fig. 1 viser således en sammenstilling som utgjør en separator med et separasjonskammer 100 med ytterdiameter D0, det vil si innerdiameteren av kammerets omsluttende vegg, en ringformet krans Pl som strekker seg innover fra separasjonskammerets 100 omsluttende vegg og inn mot dets langsgående midtakse, et i alt vesentlig sylindrisk element som derfor her er kalt en utløpssylinder P2, anordnet innenfor kransen P1, og en sentral blokk P3 med sirkulært tverrsnitt.

Utløpssylinderen P2 er derved stilt mellom den ringformede krans Pl og den sentrale blokk P3, og disse tre elementer er samtlige koaksiale i forhold til hverandre og separasjonskammeret 100. En første åpning danner en ytre ringformet (annulær) dyse 110 i rommet mellom kransen Pl og utløpssylinderen P2, og tilsvarende dannes en indre ringformet dyse 111 mellom denne sylinder P2 og den sentrale blokk P3.

Dysene avgrenses av en sirkulær ytterste kant 101 med diameter Dj, en tilsvarende midtre kant 102 med diameter D2 og en tilsvarende innerste kant 103 med diameter D3. Den ytre dyse 110 mellom kantene 101 og 102 munner ut i et oppsamlingskammer 104 som står i forbindelse med et uttrekkskammer 115. Den indre dyse 111 som er avgrenset mellom kantene 102 og 103 munner ut i det indre av utløpssylinderen P2.

Fluidblandingen som skal separeres føres mot utløpet av separatoren, i den generelle fremføringsretning 108 som er vist på tegningen og kommer til å spinne inne i separasjonskammeret 100 slik det er vist med skruelinjen 109. Som følge av dette spinn vil den letteste fraksjon av fluidet få tendens til å presses innover mot lengdeaksen i separatoren og dennes separasjonskammer, mens den tyngre fraksjon vil trenges utover mot periferien. Fraksjonene kan altså skilles fra hverandre, dels ved at man har anordnet mekanismer på innløpssiden, dels som følge av virkningen i separasjonskammeret, og uttaket kan følgelig skje ved at man tar ut fluid symmetrisk om lengdeaksen, henholdsvis ytterst og lenger inne, slik at man får den tunge og den lette fraksjon separat ut. Ved å innregulere trykket i uttrekkskammeret 115, for eksempel med en ventil kan man endre utløpsmengden av den tyngre fraksjon, idet denne delvis føres ut på tvers av den ytre dyse 110. Ved på tilsvarende måte å regulere trykket ved utløpet av utløpssylinderen 52 kan man regulere uttaket av lettere væske via den indre dyse 111. Når tilførselsforholdene holdes konstante innser man at det er mulig å sørge for at hovedmengden av den lettere væske passerer denne dyse, og at samtidig hovedmengden av den tyngre væske føres ut via den ytre dyse 110.

Den sentrale blokk P3 fyller ut den indre form av utløpssylinderen P2 hvis ende inn mot separasjonskammeret 10 tilnærmet står normalt på lengdeaksen og derved danner en flat ring. Den ende av blokken P3 som er nærmest utløpet (nedstrømsenden) går over i et konisk parti med minst to vinger 117, og den totale lengde av blokken P3 er mindre enn lengden av utløpssylinderen P2.

Den lettere fraksjon av fluidet danner en fluidstrøm 113 som føres ut i utløpssylinderen P2, mens den tyngre fraksjon danner en fluidstrøm 112 som går utenpå denne sylinder og føres til siden som en uttaksstrøm 107 i uttrekkskammeret 115.

Det fluid som føres frem innenfor den sylinder med diameter D3 som avgrenses av ytterkonturen av den sentrale blokk P3 roterer kraftig rundt og blander seg således noe med den lettere fraksjon etter separeringen. Man kan da fa mindre forstyrrelser, særlig siden utløpsmengden av den lette fraksjon er liten. Skillelinjen mellom fluidstrømmene 112 og 113 vil automatisk innstille seg ved den midtre kant 102, og denne er fortrinnsvis tilspisset slik at det dannes en skarp ringformet egg.

For å vise typiske dimensjoner kan f.eks. diameteren D0 være 100 mm, D] er på 70 mm, diameteren D2 er på 60 mm og diameteren D3 er på 50 mm. Bredden e av den midtre kant mellom diameterne D2 og yttersidene av utløpssylinderen P2 kan f.eks. være 2 mm.

På fig. 2 er vist et roterende separasjonskammer 250 som kan rotere fritt i et ytre hus 225 ved rotasjon fra en motor 226. En skjenn 221 som er festet til separasjonskammeret strekker seg over en del av dette, fra inngangen av og omslutter det mens det opprettholdes en ringformet klaring som danner et mellomrom 222. Skjermen 221 omsluttes altså av huset 225 med en ringformet klaring imellom. Separasjonskammeret 250 kan som nevnt rotere fritt inne i huset 225. Huset har i alt vesentlig sylindrisk form og strekker seg fra skjermen 221 langs kammerets 250 langsgående midtakse og er utrustet med perforeringer 220.

Fluidblandingen føres inn i innløpet 219 og passerer disse perforeringer 220, mellom kammeret 250 og huset 225. Fluidet går deretter inn i mellomrommet 222 mellom separasjonskammeret og den roterende skjerm 221.1 dette mellomrom bringes blandingen gradvis i rotasjon ved friksjonsbevegelse.

Når blandingen kommer i høyde med de radiale åpninger 223 ved innløpet av separasjonskammeret 250 er således vinkelhastigheten tilnærmet lik separatorens egen vinkelhastighet.

Dette muliggjør innføring av blandingen i det indre av separasjonskammeret 250 uten støt, tvers gjennom åpningene 223, idet disse har en lengde som er flere ganger deres diameter. Den samlede overflate av åpningene vil være tilstrekkelig stor til at innløpshastigheten til separasjonskammeret er liten, f.eks. bare en 1/10 av omløpshastigheten ute ved omkretsen, hvorved blandingens vinkelhastighet ved inn-løpet blir nøyaktig lik hastigheten av det roterende parti. Innløpet til separasjonskammeret er fortrinnsvis utrustet med en kileblokk 224 som kan ha kantet eller buet form og som ligger koaksialt i separasjonskammeret og er festet til dette, hvilket letter føringen av fluidblandingen etter dennes innføring i kammeret.

Med et innløp av denne type blir den tangentiale hastighet av blandingen i det roterende separasjonskammer praktisk omvendt proporsjonal med radien. Hastigheten øker altså kraftig etterhvert som radien avtar mot 0 inne ved sentrum eller den langsgående midtakse.

Dette gir betydelige sentripetalakselerasjoner, og disse er gunstige for å skille fluidfraksjonene fra hverandre. Under bevegelsen i det roterende kammer skilles blandingen i to strømrør, idet det ene inneholder den tyngre fraksjon og det andre den lettere.

Virkningsgraden for en slik separasjon vil være avhengig av den midlere granulometri i blandingen og følger kjente strømningslover, særlig Stokes setning. Den transporterte blanding blir følgelig tatt opp ved utløpet av separasjonskammeret slik det er forklart i forbindelse med fig. 1. Fig. 2 viser en variant av separatoren. Som i den forrige versjon føres den tyngre del av væsken via den ytre dyse 210, mens den lettere del føres via den indre dyse 211. Den tyngre del tas deretter ut over oppsamlingskammeret 204 og føres til uttrekkskammeret 215. Den lettere del tas fra den indre dyse 211 og trekkes ut via utløpssylinderen 205. Den sentrale blokk 216 har her en litt annen fasong, men har fortsatt skovler 217. Det skal bemerkes at den sylindriske del ved separasjonskammeret 250 har en separasjonskrans 202 og den sentrale blokk, og dette sylindriske parti er ikke roterende i dette eksempel, hvilket forenkler separatorkonstruksjonen. Fig. 3 viser en annen utførelse av separatoren. Strømningen går generelt ovenfra og nedover på tegningen. Rotasjonen utføres som i det foregående tilfelle i en roterende separator som tilføres ved hjelp av aksiale parallelle kanaler 330 som dannes av vinger mellom kammerveggen 300 for separasjonskammeret 350 og den sentrale blokk 301.

Blandingen føres inn ved hjelp av et innføringssystem som baserer seg på friksjon og en ringromformet klaring 322 mellom veggen 300 og skjermen 321, og deretter føres blandingen gjennom perforeringer 323 og kanaler 330 før den kommer inn i separasjonskammeret 350 i rotasjon. Blandingen føres ut gjennom dysene 310 og 311 på tilsvarende måte som før, og i denne tredje utførelsesform er oppsamlingskammeret 304 rotasjonsfast festet til separasjonskammeret 350 og utrustet med åpninger 338 som munner ut i et mellomkammer 324. Dette kammer har en vegg 327 som er fri for rotasjon i forhold til separasjonskammeret 350 og omfatter et gitter 339 som munner ut i uttrekkskammeret 315.

Åpninger 329 er anordnet ved utløpet av kammeret 350, i den ringformede krans Pl, fortrinnsvis nær kammerets 300 vegg for å trekke ut en del av den tyngre fraksjon, idet denne også kan føre med seg faste partikler med større tetthet enn fluidet. Denne tyngre fraksjon med eventuelle faste partikler føres til sist ut over det roterende gitter med åpningene 338, deretter gjennom det faste gitter 339 og til slutt ut i uttrekkskammeret 315.

Som eksempel kan en separator med 100 mm diameter ha plass til seks uttrekksrør for faste partikler og med 3 mm diameter. Uttrekk av for eksempel olje fra blandingen kan i dette tilfelle skje via det roterende gitter 337 som er festet til separasjonskammeret 350, gjennom det faste gitter 331 (som fritt kan dreies i forhold til kammeret 350) og utløpssylinderen 305.

På fig. 4a og 4b er separatoren stasjonær. Den tilføres en emulsjon via et inntaksrør 419, deretter passerer emulsjonen et fordelingsgitter 431 som kan danne en skjerm og har åpninger 430. Til sist trenger emulsjonen gjennom separasjonskammeret 450 som avgrenses av kammerveggen 400, tvers gjennom perforeringer 433 som danner konvergente kanaler og munner ut tangentialt i separasjonskammeret 450. Deres rolle er gradvis akselerasjon av emulsjonen slik at støt ved innløpet til separatoren unngås.

I den foreslåtte utførelse er det antallet 112 kanaler som fordelt over 14 rekker på åtte kanaler hver. En slik anordning gjør det mulig å innføre emulsjonen på homogent vis og symmetrisk i forhold til separasjonskammerets 450 lengdeakse. Som en variant man bruke en rekke spalter eller faktisk sylindriske og tangentiale åpninger som er lagt inn i kammerveggen. Man bruker også her en stabiliserende blokk 424 med konisk og avrundet form.

Separatoren har videre en sylindrisk lukker 434 som kan forskyves i forhold til separasjonskammeret 450, men styringen av denne lukker er ikke vist på tegningen. Lukkeren er anordnet på slik måte at den kan lukke alle eller noen av perforeringene 433 ved innløpet for å kunne variere det totale areal. Man kan også modifisere mengden fluid som passerer etter behov i en slik separator, særlig kan man tilpasse tilførselshas-tigheten ut fra kanalene på inngangen, og en forskrift for reguleringen kan være at man ønsker at hastigheten er konstant selv om gjennomstrømningen varierer for en emulsjon med bestemte data. Denne karakteristikk gir fordeler som er betydelige og bedre enn det man har for konvensjonelle syklonseparatorer som ikke er regulerbare.

På fig. 4a er utløpet av den type som også hører til utførelsen på fig. 1, men en forskjell er at man lar passere en vannstrøm i de omkretsliggende rørformede kanaler 420 for tilførsel til kammeret 421, og at olje 405 tas ut der pilene indikerer dette ved 422. Vannstrømmen trekker med seg en strøm av faste partikler som ellers risikerer å bli festet til ytterveggen av separasjonskammeret 400 og kan hindre fluidpassasjen gradvis.

I det valgte eksempel kan dimensjonene av separasjonskammeret være: lengde 400 mm, diameter 50 mm. Overflaten i utløpet av hver av de 112 kanaler med tangential inngang vil være 2,5 mm<2> for hver av dem. Den nominelle gjennom-strømning i separatoren er 5 l/s emulsjon når samtlige kanaler er åpne, mens den minimale strøm er omkring 1 l/s. Fraksjonen £ vil være mellom 0,1 og 0,4. De karakteristiske diametere D0, Db D2, D3 er henholdsvis 50, 35, 30 og 25 mm. Denne dimensjonering gjør det mulig å skille alle dråper med diameter mindre enn 100 um i en emulsjon som har en volumetrisk masseforskjell mellom de like fraksjoner på 150 kg/m<3.>

Fig. 5 viser en separator hvor den blanding som skal separeres tilføres via flere perforeringer 541 som danner tangentiale kanaler 541 i høyde med innløpet til separasjonskammeret 550 og i skjermen 540 på inngangen. Diameteren av skjermen er noe større enn den øvrige del av separasjonskammeret 550, og ved dette oppnås at man får samme rotasjonsintensitet i separasjonskammeret ved lavere innløpshastighet og altså mindre emulgering av fluidet. Antallet åpninger i perforeringene kan innstilles, selv om denne mulighet ikke er illustrert på tegningen. Utløpet av for eksempel olje skjer i det indre av utløpssylinderen P2. Ved å dreie på den viste skrue 555 forskyves denne sylinder P2 aksialt i forhold til den sentrale blokk P3, og ved at den fremre ende av sylinderen P2 er tilspisset slik at det dannes en knivskarp ring kan man lett modifisere bredden av utløpsdysene, særlig den som fører ut vannet når blandingen er en blanding mellom olje og vann, for å oppta trykkfallene.

I denne konfigurasjon er det videre i høyde med separasjonskammerets 550 innløp anordnet midler for innføring eller avtapping av gass, særlig nær lengdeaksen gjennom separasjonskammeret 550. Disse midler utgjøres av et indre rør 560 som er strukket koaksialt med lengdeaksen og sentralt i separasjonskammeret 550, og røret er ført rett gjennom den viste stabiliserende konus 524. Gassoverskuddet i emulsjonen skilles ut ved sentrifugalvirkning, og det etableres en fri overflate 562 inne i separasjonskammeret 550. Denne flate gjør det mulig å begrense utvidelsen av det væskeområde som roterer kraftig og følgelig friksjonsvirkninger og turbulens. I tilfellet det foreligger naturgass i emulsjonen vil det være hensiktsmessig å anordne et utløp 561, fortrinnsvis aksialt, for å trekke ut denne overskytende gass. I tilfellet man har en emulsjon som ikke inneholder gass kan man tilføre en mindre gassmengde på inngangen av separatoren for å etablere denne frie flate 562 og på den måte unngå friksjon. For å antyde størrelsesordenen kan man tenke seg tilført et gassvolum som utgjør 1 %^ av totalgjennomstrømningen i separatoren. Denne gass vil gjenfinnes integrert i utløpet av lettere fluid.

Fig. 6 viser en stasjonær separator som er utrustet med en gass- eller luftinjektor og bestemt for å redusere slik friksjon. Det sentrale element i denne versjon tjener til å begrense den andre ringformede åpning som utgjør den indre dyse slik at det dannes en hulsylinder 645 koaksialt med separasjonskammeret 650 og med utstrekning fra innløpet og til utløpet av. dette. Denne hulsylinder 645 er ved utløpet innrettet for å kunne oppta det lettere fluid for utføring, for eksempel via et gitter 640 som dette fluid kan passere, idet den nærmeste ende av hulsylinderen 645 da er lukket.

Denne versjon av separatoren er innrettet for å kunne skille de enkelte fluidfaser fra hverandre i en oljebrønn. Blandingen som skal separeres føres inn i separatoren via rørinstallasjoner 644 slik det er vist med pilene 643. Den passerer deretter perforeringene 632 for å akselereres, og deretter føres den inn i separasjonskammeret 650 hvis yttervegg 600 ikke roterer. Hulsylinderen 645 omslutter altså en hylse av gass.

Utløpsdysene som er avgrenset av de sirkulære kanter 601, 602 og 603 tilsvarer de som er vist på fig. 1. Den tyngre væske, i dette tilfelle vann, vil passere oppsamlingskammeret 604 og føres ut i uttrekkskammeret 615 etter å ha passert gitteret 647. Den lettere væske, i dette tilfelle oljen, føres inn i et kammer 605 etter å ha passert en utsugingskrone. Den går gjennom gitteret 640 og kommer ut på baksiden av hulsylinderen 645 som møter den stabiliserende konus 624, og oljen går ut sentralt slik det er vist med pilen 642. Denne sylinder er omsluttet av gasshylsen, og gassylinderen 648 vil være meget nær ytteromkretsen. Etter behov vil det være nødvendig å injisere en viss mengde hjelpegass for å etablere en slik hylse. Det hele settes på plass i et borerør 646, og den nødvendige tetthet mellom fluidblandingen og vannutløpet skjer med en pakning 641. Etter behov kan hulsylinderen 645 for uttak av oljen være anordnet på samme side som rørinstallasjonen for uttak av vann, selv om denne utførelsesform ikke er vist.

Fig. 7 viser en separator ifølge oppfinnelsen og utrustet med hjelpemidler for å registrere/måle tilstedeværelsen av lettere fluid eller væske i mindre kvanta i den tyngre væske.

Emulsjonen trenger i dette tilfelle ved 721 og passerer tangentiale innløp 722 i separasjonskammeret 724, idet dette er avgrenset ved veggen 723. Den tyngre væske kommer ut fra separasjonskammeret og via den ytre ringformede dyse 710 og passerer kalibreringsåpninger 712 som bestemmer hovedmengden av fluidutløpet. Den lettere væske går ut fra separasjonskammeret via den indre dyse 711.

Denne indre dyse munner ut i et første målekammer 714 som står i forbindelse med kapillarrør 716 og fører til et andre målekammer 715 med en åpning 726. En første differensialtrykkmåler 730 er lagt inn mellom målekamrene 714 og 715, og en tilsvarende andre differensialtrykkmåler 731 er lagt inn mellom det andre målekammer 715 og midtaksen 725, der åpningen 726 munner ut.

Den tyngre væske vil etter å ha passert dysen 711 trenge inn i det første målekammer 714 og deretter inn i kapillarrørene 716 før den føres inn i det andre målekammer 715. Den trekkes ut ved midtaksen 725 over åpningen 726, idet denne kan benevnes en kalibrert åpning. Fortrinnsvis har man tatt seg bry med å legge inn et sentralt gassutløp 722 i et midtre element dersom fluidet muligens inneholder gass. Prinsippet for deteksjonen går ut på å måle trykkfallet i kapillarrørene ved hjelp av trykkmålerne 730 og 731, og likeledes trykkfallet i åpningen 726. Kapillarrørene 716 er tilstrekkelig lange og har tilstrekkelig liten diameter til at de opprettholder en laminær væskestrøm, idet en slik strøm er kjennetegnet ved et Reynoldstall mindre enn 1000. Ved laminær strømning vil trykkfallet være proporsjonalt med fluidstrømmengden og viskositeten. Åpningen 726 er på sin side med liten lengde, slik at trykkfallet vil være proporsjonalt med kvadratet av massestrømmen og altså volumet av det fluid som passerer den. Når fluidet er viskøst vil trykkfallet i kapillarrørene være forholdsvis mer betydelig enn over åpningen 726, enn når fluidet er mindre viskøst. Målingen av trykkfallet Ap2 over åpningen 726 med et tverrsnittsareal S gir anledning til å bestemme gjennomstrømningen Q av et fluid med tetthet p ut fra formelen:

Målingen av trykkfallet Api over et antall N kapillarrør med diameter D gir fluidets viskositet ji ut fra formelen:

Generelt vil forskjellen i tetthet mellom disse fluid være tilstrekkelig til å kunne konsentrere den lettere fluidfase og slik at man kan bestemme viskositeten for derved å bedømme om det foreligger rester av lettere fluid i den emulsjon som trenger inn i separatoren.

Fig. 8a og 8b viser en annen separatortype ifølge oppfinnelsen, for å detektere eller måle tilstedeværelsen av lettere fluid eller væske i et tyngre fluid, og denne måling gjøres i henhold til en annen fremgangsmåte som går ut på å øke konsentrasjonen Ce av den lettere væske i utgangspunktet og la blandingen gå inn i en separator.

Denne fremgangsmåte bruker på ny en syklonseparator som roterer eller som er stasjonær og som er vist på fig. 8a og b. Ved de gitte betingelser vil den væske som går ut av den indre ringformede dyse 811 og er beregnet for lettere væske inneholde en større mengde slik væske enn den tyngre væske som går ut via den ytre ringformede dyse 810. Konsentrasjonen Cs som tilsvarer eller er lik produktet av den konsentrasjon Ce man har i utgangspunktet, og virkningsgraden T] for separatorens separasjon, og med forholdet mellom den totale væskemengde som føres inn i separatoren, væskemengden Q, og uttakets væskemengde q for lettere væske:

Man bruker altså mer konvensjonelle måleapparater for å måle tilstedeværelsen av små mengder lettere fluid og ikke bare spor av slik væske.

Fig. 8a og 8b viser et eksempel på en slik separator som danner en måleutrustning for måling av resistivitet. Væsken føres inn i separatoren via spalter 822, går inn i separasjonskammeret 850 og ut av dette via den allerede omtalte ytre henholdsvis indre dyse 810, 811.

Den tyngre væske hvis mengde er dominerende vil passere den ytre dyse 810 og deretter gå inn i det viste oppsamlingskammer 804 for så å trekkes ut i det ytre rom via flere kalibreringsåpninger hvorav i det minst én er utrustet med et måleapparat.

Det lettere fluid som utgjøres av en blanding av tyngre fluid og lettere fluid i form av små dråper 825 og hvis konsentrasjon er lik Cs vil på sin side passere den indre ringformede dyse 811 og føres ut i det viste kammer 805 og deretter gjennom kalibreringsrørene 830 før det føres ut.

Det faktum at man har anordnet kalibreringsrør muliggjør at man kan holde en konstant gjennomstrømning av de to fluidstrømmer på utgangen. Eventuell gass i blandingen vil trekkes ut via et sentralt rør 820.

I et av kalibreringsrørene 830 er lagt inn to sonder 832 og 833, hvorav den første i et punkt nær kammeret 804, mens den andre i et punkt nær ytteromkretsen. Disse sonder er koplet til et måleapparat 840 for å måle motstand, via elektriske ledninger 836 og 837.

På tilsvarende måte er to sonder 834 og 835 anordnet i det viste rør 830, hvorav den første nær kammeret 805, mens den andre nær ytteromkretsen. Disse to sonder er koplet til et annet måleapparat 841 for å måle motstand, ved hjelp av ledninger 838 og 839.

Fluidet vil føres gjennom røret 830 og har en konsentrasjon av lettere fluid som antas ikke å være elektrisk ledende, større enn konsentrasjonen av det fluid som er ført gjennom røret 831 og hvis resistivitet er større, idet denne er en funksjon av denne konsentrasjon. Man kan altså slutte av måleresultatet etter en gitt prøvemåling at konsentrasjonen av lettere fluid i det fluid som går i røret 830 har en bestemt verdi. Kjenner man forholdet på utgangen kan man beregne konsentrasjonen i den væske som føres inn i separatoren. Motstandsmålingen er her vist som et eksempel, og fagmannen vil kunne velge andre måter som vil kunne være bedre tilpasset, for eksempel kapasitive målinger eller måling av hvor stor grad elektromagnetisk stråling absorberes. Generelt kan man fortrinnsvis anordne differensialmålinger, siden disse vil være mer nøyaktige enn direktemålinger. Denne fremgangsmåte er særlig anvendelig i bunnen av brønner og borehull.

Som et eksempel kan man bruke en separator med 20 mm diameter og lengde 200 mm, og den kan være roterende eller stasjonær. Mengden fluid som skal analyseres kan være 0,4 l/s, og den uttatte fluidstrøm fra utløpet for lettere væske kan være 4 ml/s.

Fig. 9a og 9b viser en annen variant av oppfinnelsens separator, og denne har stor interesse ved oljeutvinning. Under slik utvinning vil nemlig en oljebrønn frem-bringe emulsjoner som i større eller mindre grad inneholder vann. Med konvensjonelle teknikker for produksjon trekkes dette vann ut i brønnhodet sammen med oljen eller generelt hydrokarbonproduktet. Vannet må deretter fraskilles i installasjoner på bakken eller overflaten og deretter føres ned igjen i grunnen, ved de forskjellige dyp som inneholder oljeforekomstene.

Slik teknikk går altså ut på å ta i bruk stasjonære syklonseparatorer hvor imidlertid separasjonsytelsen er middelmådig, mengden utlevert væske begrenset og som ikke tillater særlig store variasjoner av uttatt mengde i løpet av produksjonen. Man tvinges derved til å bruke opp til kanskje et tyvetalls separatorer i parallell for de mest produktive brønner, og hver av disse separatorer må være koplet til en sluttsyklon. Har man for eksempel en brønn som leverer 20 000 fat per dag (BPD) trengs en gruppe syklonseparatorer som kan nå opp i antallet 40.

Det sier seg selv at dette gir en stor kompleksitet ved røropplegget, og kostnadene for både anlegget og driften vil være store.

Separatoren vist på fig. 9a og 9b gjør det mulig å løse dette problem ved å skille olje og vann allerede i bunnen av brønnen og deretter føre inn vannet igjen i en geologisk formasjon, fortrinnsvis ved å bruke en pumpe. Oljen, som fremdeles kan inneholde en viss mengde vann, vil derved føres naturlig opp til overflaten eller via en pumpe, i avhengighet av om brønnen er eruptiv eller ikke.

Man kan derved bruke separatorer med mindre diameter for å få plass til dem nede i en brønn, men med tilstrekkelig ytelse til å gi god separasjon og til å sørge for at det reinjiserte vann ikke inneholder mer enn en relativt beskjeden mengde olje, for eksempel mindre enn 300 mg/l.

Slik det fremgår av fig. 9a og 9b anordnes en slik separator mellom et trinn med en oljepumpe og et trinn med en vannpumpe, i en oljebrønn, og drivmotoren for disse pumper er anordnet under vannpumpen. Fluidblandingen føres inn øverst i det apparat som separatoren danner, og vannet føres ut nederst og tilføres vannpumpen, mens oljen også føres ut nederst og føres opp igjen via rør som er anordnet mellom separatorens ytre skjerm og det innvendige av brønnens produksjonsrør.

Fig. 9a viser særlig hvordan et ytre rør 901 som avgrenser installasjonen mot brønnens omsluttende vegg, har installert i en og samme grenlinje og holdt i rotasjon av en motor 905, en oljepumpe 902, et roterende separasjonskammer 903 og en vannpumpe 904. Den blanding som skal separeres føres inn i denne innretning ovenfra slik det er vist med pilene 906, presses nedover i den klaring som foreligger mellom hoveddelen av oljepumpe 902 og røret 901, trenger videre inn i den øvre del av separasjonskammeret 903, følger sin fortsatte vei nedover mot bunnen av dette slik det er vist med pilen 907 og blir der skilt i separasjonssonen under virkningen av sentrifugal-kreftene. Følgelig blir vannet ført ut i den nedre del av separasjonskammeret 903 og inn i vannpumpen 904, og deretter blir det tilbakeført til den geologiske formasjon på undersiden av innretningen, slik det er indikert med pilen 908.

Oljen trekkes på tilsvarende måte ut i den nedre del av separasjonskammeret 903 i rotasjon og samles opp i oppsamlingskammeret 931, men oljen føres også opp før den bringes inn i pumpen 902 og blir tatt ut på overflaten slik det er vist med pilene 909 (fig. 9a) i en rørinstallasjon som er beregnet for dette formål.

På fig. 9b ser man i nærmere detaljer hvordan fluidkretsene er i separa-sjonsområdet. Blandingen går inn i dette område slik det er vist med pilene 906 og går først inn i en fast skillefordeler 912 som tillater kryssing med oljestrømmen som er tatt ut fra separasjonskammeret 903, uten at de to fluid blander seg, takket være en egnet anordning av denne fordelers skillevegger 912. Oljen går deretter inn i den viste skovlfordeler 913 og deretter inn i klaringen 914 mellom den ytre faste skjerm 940 som hører til separatoren og en første roterende skjerm 941. I dette klaringsrom vil blandingen få en første rotasjon ut fra friksjonen mot den roterende vegg, og deretter føres blandingen inn i gitteret 915 nær utløpet av separasjonskammeret 903 og trenger gjennom de langstrakte åpninger perpendikulært på den langsgående midtakse gjennom dette kammer 903 før den går mot dette kammers inngang mellom skjermen 941 og skjermen 942, idet begge disse skjermer er roterende. Blandingen blir således ført frem ved friksjon og under rotasjon i det ringrom som dannes mellom disse skjermer under sin bevegelse.

Deretter føres den inn i det roterende separasjonskammer 903 via flere radiale åpninger 917 som er anordnet ved innløpet av dette kammer, idet disse åpninger er tilpasset denne oljefremføring og slik at væsken kan føres inn i det indre kammer i separatoren med en tangentialhastighet som er nøyaktig lik den tilsvarende hastighet ved omkretsen av den roterende separator. I dette roterende kammer etableres derved en syklonstrøm som kjennetegnes ved en tangentialakselerasjon mot separatorens midtakse. Akselerasjonsbetingelsene er slik at det lettere fluid vil presses inn mot sentrum, mens det tyngre fluid vil holde seg ute ved omkretsen. Når oljen når utløpet av separatoren vil de to fluidkomponenter, nemlig den tyngre og den lettere skilles slik at man henholdsvis kan ta dem ut gjennom dysene 919 og 920, idet den første av disse er anordnet utenfor den indre dyse 920 som vannet føres gjennom, idet dette er den tyngste av væskene eller fluidene. Oljen vil for øvrig fremdeles inneholde noe vann, men føres gjennom den indre dyse 920. Pilene 921 viser hvordan oljen videre går inn i ringrommet mellom den ytre faste skjerm 940 i separatoren og røret 901 som avgrenser brønnen. Oljen føres deretter inn i pumpen 902 og følger pilene 924 mot det ytre av brønnen, særlig via fordeleren 912. Ved dettes sted krysser oljestrømmen den blan-dingsstrøm som føres inn til separasjonskammeret. Vannet føres som nevnt i stedet gjennom dysen 919 og følger pilene 922, 923 mot vannpumpen 904 og tilbake til den geologiske formasjon hvor det foregår en reinjeksjon slik pilene 908 indikerer.

Hele den roterende sammenstilling som dannes av oljepumpen 902, separasjonskammeret 903, vannpumpen 904 og oppsamlingskammeret 931, skjermene 941, 942 og de tre elementer Pl, P2 og P3, er opplagret i lagre 925 og 929 og beskyttet av mekaniske innretninger 926 og 928. Sammenstillingen får altså fordelen av å være aksialt innrettet og kan roteres av drivmidler, i dette tilfelle motoren 905. Innretningen ifølge oppfinnelsen kan derved utgjøre en separator med liten ytterdiameter, slik at den kan føres inn i det indre av et rør 901 som utgjør den avgrensende yttervegg i en oljebrønn. Fig. 10 viser en variant av innretningen eller separatoren vist på fig. 9a og 9b, hvor uttrekkingen av olje skjer via et aksialt rør 950. Tilførselen av fluidblanding i form av en emulsjon er enklere enn i det foregående tilfelle, siden det ikke er nødvendig å etablere en krysstrøm mellom oljen og emulsjonen. Tilførselen skjer i dette tilfelle til separatoren 953 slik det er indikert med pilene 956, og partiene 963-966 gjennomløpes som i eksemplet vist på fig. 9a og 9b. Tilførselen til det roterende separatorkammer 968 utføres via radiale åpninger 968, og uttaket av vann foregår på samme måte som i beskrivelsen ovenfor. Uttrekkingen av olje skjer via det aksiale rør 950, og olje-strømmen følger pilene 971. Oljen går altså først gjennom åpningen 970 og deretter bakover for å trenge inn i røret 950. Oljeuttaket fra dette går via radiale åpninger 951, og oljen injiseres deretter i pumpen 952 slik det er vist med pilene 974. Fig. 1 la og 11b viser et eksempel på nedføring av en separator ifølge oppfinnelsen i en oljebrønn. Den fluidblanding som man skal skille ut fluidfasene fra er på forhånd homogenisert for å unngå fluktuasjoner i den relative konsentrasjon av de enkelte bestanddeler, gass, olje og vann, slik det særlig er tilfelle i en boret brønn for hydrokarboner. Fluktuasjonene kan særlig etableres i tofaseformasjoner av typen "propper" ( slug JIows). Hvis det dannes slike propper kreves nemlig at apparaturen dimensjoneres for ekstremtilfellene, men en løsning kan altså være å sette inn en blander som homogeniserer fluidmassen. Ifølge oppfinnelsen har man en slik blander 1152 som danner et rør med åpne ender og som er lagt inn koaksialt i separa-sjonskamrneret 1106 i oppfinnelsens separator 1131, slik at det dannes to perforerte rør som monteres med enden mot hverandre og hvis volum i det minste ved inngangen er i samme størrelsesorden som det som trengs for fluidstrømmen mellom to fluktuasjoner i konsentrasjonen av den som har lavest hyppighet, for eksempel de største propper. Rørene står i forbindelse med hverandre og har flere åpninger som er fordelt over lengden. I eksemplet vist på fig. 1 la og 1 lb er blanderen 1152 anordnet på innløpssiden av separatoren og den pumpeinnretning som den viste motor 1118 danner sammen med en vannpumpe 1133, separatoren 1131 og en oljepumpe 1132. Oljen føres opp mot overflaten i røret 1152 som står i forbindelse med separatorens sentrale rør, mens vannet forlater det roterende sentrale rør i separatoren og trekkes ut via uttrekkskammeret 1115 i en formasjon 171 som omslutter borerøret lenger nede.

Blanderens 1152 virkemåte kan best illustreres med fig. 1 lb hvor man har vist en fluidpropp 1170 som har trengt inn ved en første høyde i blanderen og er strukket langsetter i hovedrøret 1150. Blanderen har som vist en rekke innløpsåpninger 1154 og tilsvarende utløpsåpninger 1155, idet de første er i det øverste parti. Separasjonsmidler 1151 avgrenser et andre nivå hvor utløpsåpningene 1155 er anordnet. Åpningene 1154 og 1155 er fortrinnsvis fordelt jevnt over blanderens 1152 lengde, slik at fluidproppen 1170 kommer til å dele seg mot det indre av den via innløpsåpningene 1154 og det ytre av den, til det ringrom 1171 som dannes mellom det utvendige av blanderen 1152 og det innvendige av ytterrøret i brønnen. Resultatet er at proppen 1170 far tendens til å blande seg med fluidet i blanderen 1152 og derved homogenisere konsentrasjonene og etablere bobler eller dråper med mindre dimensjon. Fluidet som på denne måte blir forhåndsblandet vil føres ut av åpningene 1155 som er kalibrerte på slik måte at emulsjonen som frembringes danner emulsjonsdråper 1173 med tilstrekkelig liten størrelse til å unngå etablering av noen ny propp før innføringen i separatoren 1131. Kalibreringen i denne betydning innebærer altså en dimensjonering ut fra den teori som blant annet er presentert ved Hinzes og Kolmogorovs likninger for turbulente fluidblandingsstrømmer.

Claims (33)

1. Innretning for separasjon av de enkelte bestanddeler i en heterogen fluidblanding og omfattende: et separasjonskammer (100,250, 350,450, 550, 650, 724, 850,903, 1106) som i sin ene ende har et innløp og i sin andre ende et utløp, en første ringformet åpning (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 919) som er koaksialt anordnet i separasjonskammeret, og en andre ringformet åpning (111, 211, 311, 411, 511, 611, 711, 811, 920) som er koaksial med den første åpning og hvis ytterdiameter (D2) er mindre enn innerdiameteren av den første åpning, karakterisert ved at separasjonskammeret (100, 250, 350, 450, 550, 650, 724, 850, 903, 1106) har rent sylindrisk form, at ytterdiameteren (Di) av den første åpning er mindre enn separasjonskammerets innerdiameter (D0), og at dette kammers utløp har: en ringformet krans (Pl) som strekker seg innover fra separasjonskammerets omsluttende vegg og innover mot dette kammers langsgående midtakse, et element (P2) med i alt vesentlig sylindrisk form og derfor benevnt utløpssylinder, en sentral blokk (P3,645) med sirkulært tverrsnitt, hvor utløpssylinderen (P2) er anordnet mellom kransen (Pl) og den sentrale blokk (P3, 645) og slik at kransen, utløpssylinderen og blokken alle får koaksial stilling i forhold til separasjonskammeret, på slik måte at den første åpning (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 919) danner en ytre ringformet dyse mellom kransen (Pl) og utløpssylinderen (P2), og at den andre åpning (111,211, 311,411, 511,611, 711, 811, 920) danner en indre ringformet dyse mellom utløpssylinderen (P2) og den sentrale blokk (P3,645).

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at ytterdiameteren av den andre ringformede åpning som danner den indre dyse (111, 211, 311, 411, 511, 611, 711, 811, 920) er mer enn 0,3 ganger innerdiameteren (D0) av separasjonskammeret (100, 250, 350, 450, 550, 650, 724, 850, 903,1106).

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at ytterdiameteren (Di) av den første ringformede åpning som danner den ytre dyse (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 919) er mer enn 0,4 ganger innerdiameteren (Do) av separasjonskammeret (100, 250, 350, 450, 550, 650, 724, 850,903,1106).

4. Innretning ifølge krav 1-3, karakterisert ved at den ytre dyse (110, 210, 310, 410, 510, 610) munner ut i et oppsamlingskammer (104, 204, 304, 604) som står i forbindelse med et uttrekkskammer (115,215,315,615).

5. Innretning ifølge krav 1-4, karakterisert ved at innløpet av separasjonskammeret (250, 350, 450, 550, 650) i sin yttervegg (200, 300, 400, 600) har perforeringer (223, 323,433, 541, 632) for innføring av en fluidblanding.

6. Innretning ifølge krav 1-5, karakterisert ved at separasjonskammeret (250, 350, 450, 550, 650) på inngangen har en konisk eller buet kileformet blokk (224, 424, 524, 624) som er anordnet koaksialt i separasjonskammeret og festet til dette.

7. Innretning ifølge krav 1-6, karakterisert veden skjerm (221, 321, 431) som er festet til separasjonskammeret (250, 350,450) strekker seg over en del av dette fra dets inngang og slik at det dannes et ringromformet mellomrom (222, 322) mellom ytterflaten av skjermen og innerveggen av separasjonskammeret.

8. Innretning ifølge krav 7, karakterisert ved at skjermen (221) er omsluttet av et hus (225) med i alt vesentlig sylindrisk form og med en innbyrdes avstand slik at det dannes et mellomrom, idet huset fritt kan dreies i forhold til separasjonskammeret (250) og strekker seg utenfor skjermen (221) langs dette kammers sentrale lengdeakse, og at huset videre har perforeringer (220) for innføring av fluidblandingen mellom kammeret (250) og huset for deretter å føres inn i det ringformede mellomrom (222).

9. Innretning ifølge krav 1-8, karakterisert ved en drivmekanisme (226) for å bringe separasjonskammeret (250) i rotasjon.

10. Innretning ifølge krav 4, karakterisert ved at oppsamlingskammeret (304) er dreiefast forbundet med separasjonskammeret (350) og har åpninger (338) som munner ut i et mellomliggende kammer (324) hvis ene vegg (327) er fritt roterbar i forhold til separasjonskammeret og utrustet med et gitter (339) som munner ut i uttrekkskammeret (315).

11. Innretning ifølge krav 5-6, karakterisert ved at perforeringene (433, 541, 632) danner konvergente kanaler som munner ut tangentialt i separasjonskammeret (450, 550,650).

12. Innretning ifølge krav 5-7, karakterisert ved at innløpet av separasjonskammeret (450) har en lukker (434) som kan forskyves i forhold til kammeret og er anordnet slik at den kan stenge alle eller en del av perforeringene (433).

13. Innretning ifølge krav 7, karakterisert ved at skjermen (431) har åpninger (430) for innføring av blandingen.

14. Innretning ifølge krav 1-6, karakterisert ved at separasjonskammeret (550) ved innløpet har større diameter enn i den resterende del.

15. Innretning ifølge krav 1-6 og 14, karakterisert ved at separasjonskammerets (550) innløp har midler (560) for innføring eller uttrekking av gass, idet disse midler er anordnet ved separasjonskammerets sentrale lengdeakse.

16. Innretning ifølge krav 15, karakterisert ved at midlene (560) utgjøres av et rør (560) som er lagt koaksialt med separasjonskammeret (550).

17. Innretning ifølge krav 1-4, karakterisert ved at utløpssylinderen (P2) har en sterkt tilsmalnet midtre kant (102, 202, 402, 502, 602) i den ende som vender mot separasjonskammeret (100, 250, 350, 450,550,650).

18. Innretning ifølge krav 1-17, karakterisert ved at den sentrale blokk (P3) har en del som danner en massiv sylinder.

19. Innretning ifølge krav 1-18, karakterisert ved at den sentrale blokk (P3) har en aksial lengde som er mindre enn lengden av utløpssylinderen (P2).

20. Innretning ifølge krav 19, karakterisert ved at den sentrale blokk (P3) er forlenget i et konisk parti og har minst to skovler (117,217).

21. Innretning ifølge krav 1-3, karakterisert ved videre å omfatte: et oppsamlingskammer (931) som den ytre dyse (919) munner ut i, en oljepumpe (902), fortrinnsvis likeledes en vannpumpe (904), og at oljepumpen (902), det roterende separasjonskammer (903), den eventuelle vannpumpe (904), oppsamlingskammeret (931), den ringformede krans (Pl), utløpssylinderen (P2) og den sentrale blokk (P3) danner en innbyrdes fluktende sammenstilling.

22. Innretning ifølge krav 21, karakterisert ved ytterligere å omfatte en drivmekariisme (905) for å rotere sammenstillingen (902,903,904,931, Pl, P2, P3).

23. Innretning ifølge krav 22, karakterisert ved å være dimensjonert slik at den kan installeres i et utvendig rør (901) som avgrenser en oljebrønn.

24. Innretning ifølge krav 1 -20, karakterisert ved at den sentrale blokk (P3) har et sentralt rør (720, 820) som tjener som gassutløp.

25. Innretning ifølge krav 1-6 og 17, karakterisert ved at den sentrale blokk (645) har i alt vesentlig sylindrisk form over et parti (645) og er anordnet koaksialt i separasjonskammeret (650) slik at dette sylindriske parti strekker seg fra kammerets innløp og ved dets utløp er tilpasset gjenvinning av et lettere fluid.

26. Innretning ifølge krav 1-20 og 25, karakterisert ved at: den indre ringformede dyse (711) er forlenget i et første målekammer (714) som via kapillarrør (716) står i forbindelse med et tilsvarende andre målekammer (715) utrustet med en åpning (726), en første differensialtrykkmåler (730) mellom det første og det andre målekammer (714, 715), og en andre differensialtrykkmåler (731) mellom det andre målekammer (715) og midtaksen (725) hvor åpningen (726) munner ut.

27. Innretning ifølge krav 1-20 og 24, karakterisert ved at: den ytre dyse (810) munner ut i et første kammer i form av et oppsamlingskammer (804) i forbindelse med kalibrerte røråpninger (831) som munner ut i det ytre av innretningen, at den indre dyse (811) munner ut i et andre kammer (805) som står i forbindelse med en kalibrert røråpning (830) som likeledes munner ut i det ytre av innretningen, at det videre er anordnet to sonder (832, 833) i et kalibrert rør (831), idet den ene av sondene er anordnet et sted nær det første kammer (804), mens den andre sonde (833) er anordnet på et sted nær det ytre av innretningen, hvilke to sonder (832, 833) er koplet til et første måleapparat (840), og at det videre er anordnet to sonder (834, 835) i et kalibreringsrør med røråpningen (830), idet den første av sondene er anordnet på et sted nær det andre kammer (805), mens den andre sonde (835) er anordnet på et sted nær det ytre av innretningen, idet de to sonder (834, 835) er koplet til et andre måleapparat (841).

28. Innretning ifølge krav 1-27, karakterisert ved at den ved innløpet er koplet til en blander (1152) som omfatter: et koaksialt rør som strekker seg inn i innretningens separasjonskammer (1106) og hvis to ender er åpne og danner henholdsvis innløpsåpninger (1154) og utløpsåpninger (1155) i en aksial avstand fra innløpsåpningene, og separasjonsmidler (1151) som danner et første trinn og et andre trinn, idet disse trinn er anordnet slik at innløpsåpningene (1154) ligger i det første trinn, mens utløpsåpningene (1155) ligger i det andre trinn.

29. Fremgangsmåte for separasjon av de enkelte bestanddeler i en heterogen blanding, idet man innfører den blanding som skal behandles i en separator som omfatter: et separasjonskammer (100,250,350,450, 550, 650, 724, 850,903,1106) som i sin ene ende har et innløp og i sin andre ende et utløp, en første ringformet åpning (110, 210, 310, 410, 510, 610, 710, 810, 919) som er koaksialt anordnet i separasjonskammeret, og en andre ringformet åpning (111, 211, 311, 411, 511, 611, 711, 811, 920) som er koaksial med den første åpning og hvis ytterdiameter (D2) er mindre enn innerdiameteren av den første åpning, karakterisert ved at separatoren særlig er slik at separasjonskammeret (100, 250, 350, 450, 550, 650, 724, 850, 903, 1106) har rent sylindrisk form, at ytterdiameteren (D,) av den første åpning er mindre enn separasjonskammerets innerdiameter (D0), og at dette kammers utløp har: en ringformet krans (Pl) som strekker seg innover fra separasjonskammerets omsluttende vegg og innover mot dette kammers langsgående midtakse, et element (P2) med i alt vesentlig sylindrisk form og derfor benevnt utløpssylinder, en sentral blokk (P3,645) med sirkulært tverrsnitt, hvor utløpssylinderen (P2) er anordnet mellom kransen (Pl) og den sentrale blokk (P3, 645) og slik at kransen, utløpssylinderen og blokken alle får koaksial stilling i forhold til separasjonskammeret, på slik måte at den første åpning (110, 210, 310,410, 510,610, 710, 810, 919) danner en ytre ringformet dyse mellom kransen (Pl) og utløpssylinderen (P2), og at den andre åpning (111, 211, 311, 411, 511, 611, 711, 811,920) danner en indre ringformet dyse mellom utløpssylinderen (P2) og den sentrale blokk (P3,645), og uttak av en tyngre fraksjon over den første ringformede åpning og en lettere fraksjon over den andre ringformede åpning.

30. Fremgangsmåte ifølge krav 29, karakterisert ved at den blanding som skal behandles føres inn i innløpet i separasjonskammeret (250) på slik måte at det far samme vinkelhastighet som vinkelhastig- . heten i dette kammer.

31. Anvendelse av en innretning ifølge ett av kravene 1-28 for å skille vann og olje fra en blanding av disse bestanddeler.

32. Anvendelse av en innretning ifølge ett av kravene 20-23, karakterisert ved separasjon av en blanding av vann og olje i bunnen av en oljebrønn.

33. Anvendelse av en innretning ifølge krav 26 eller 27 for deteksjon og/eller måling av lettere fluid som en bestanddel av et tyngre fluid.