NO315640B1

NO315640B1 - Separator for separation of gas, liquid and sand

Info

Publication number: NO315640B1
Application number: NO19993985A
Authority: NO
Inventors: Rune Killie; Jarle Michaelsen; Ivar Balk; Svein Arne Morud; Pal Jahre Nilsen
Original assignee: Aibel As
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2003-10-06
Also published as: NO993985D0; NO993985L

Description

Oppfinnelsens område Field of the invention

Foreliggende oppfinnelse vedrører en separator for separasjon av gass, væske og faste partikler omfattende en syklon. The present invention relates to a separator for the separation of gas, liquid and solid particles comprising a cyclone.

Oppfinnelsens bakgrunn The background of the invention

Produksjon av sand er et økende problem i oljeindustrien, hvor mange prosessanlegg er utformet uten hensyn til den Production of sand is a growing problem in the oil industry, where many process plants are designed without consideration of it

mengde sand som følger med brønnstrømmen fra et reservoar. Dette har ført til at sand eroderer rør, ventiler og andre innretninger som kommer i direkte kontakt med strømmen fra olj ebrønnene. quantity of sand that accompanies the well flow from a reservoir. This has led to sand eroding pipes, valves and other devices that come into direct contact with the flow from the oil wells.

Sanden kan også fylle opp prosessenheter som for eksempel separatorer og varmevekslere, og derved redusere virk-ningsgraden . The sand can also fill up process units such as separators and heat exchangers, thereby reducing efficiency.

Separasjon av væske og gass gjøres i dag normalt i en tank hvor tyngdekraften sørger for at de to mediene med forskjellig tetthet skilles. Normalt vil også vann skilles fra olje under en slik prosess. Separation of liquid and gas is normally done today in a tank where gravity ensures that the two media with different densities are separated. Normally, water will also be separated from oil during such a process.

I en konvensjonell prosess for separasjon av olje og gass bringes trykket ned fra brønntrykket {typisk 200 bar) til atmosfærisk trykk. In a conventional process for the separation of oil and gas, the pressure is brought down from the well pressure (typically 200 bar) to atmospheric pressure.

Vanligvis anvendes flere separatorer i serie da ønsket se-parasjonsgrad sjelden oppnås i en enkelt separator. Dette skyldes primært at gassen ekspanderer i henhold til den trykkreduksjonen som finner sted over separatorene. Gas-sens utvidelse og bevegelse oppover medfører kraftig omrø-ring av alt innhold i separatoren, med kraftig, uønsket medriving av væske, skumming og emulsjonsdannelse som re-sultat . Usually several separators are used in series as the desired degree of separation is rarely achieved in a single separator. This is primarily due to the gas expanding in accordance with the pressure reduction that takes place above the separators. The gas's expansion and upward movement causes vigorous stirring of all contents in the separator, with strong, unwanted entrainment of liquid, foaming and emulsion formation as a result.

Konseptet med separasjon ved hjelp av sentrifugalkrefter er kjent. I prinsippet ledes en strømning av sammenblandet olje, gass og faste partikler inn i en sirkulær bane der mediene separeres ved hjelp av sentrifugalkrefter. The concept of separation using centrifugal forces is known. In principle, a flow of mixed oil, gas and solid particles is directed into a circular path where the media are separated using centrifugal forces.

I US patent Nr. 5,300,222 beskrives en separator for separasjon av gass, væske og faste partikler ved flere sammen-satte trinn, hvorav ett er en syklon. Bortsett fra innløp-senheten (s. 3, linje 43 - s. 4, linje 10) så separeres de faste partiklene fra væsken ved hjelp av en konisk syklon. Gass og væske (olje og vann) blir ført ut igjennom toppen av syklonen (s. 4, linje 51) mens sand og noe vann går ut igjennom bunnen av syklonen. Denne syklonen er plassert i en relativt stor tank der gass blir separert fra væsken og der olje og vann blir separert fra hverandre. Det brukes her både gravitasjons krefter og filtre (s. 5, linje 63) for å oppnå dette. En ulempe med separatoranordningen fo-reslått i US patent Nr. 5,300,222 er at den har en relativt komplisert oppbygning omfattende flere etterfølgende trinn. En annen ulempe er at denne separatoranordning fy-sisk sett er stor og tar mye plass. Effektiviteten er dessuten ikke så god som man kunne ønske. In US patent no. 5,300,222 describes a separator for the separation of gas, liquid and solid particles by several combined steps, one of which is a cyclone. Apart from the inlet unit (p. 3, line 43 - p. 4, line 10) the solid particles are separated from the liquid by means of a conical cyclone. Gas and liquid (oil and water) are led out through the top of the cyclone (p. 4, line 51), while sand and some water exit through the bottom of the cyclone. This cyclone is placed in a relatively large tank where gas is separated from the liquid and where oil and water are separated from each other. Both gravitational forces and filters (p. 5, line 63) are used here to achieve this. A disadvantage of the separator device proposed in US patent No. 5,300,222 is that it has a relatively complicated structure comprising several subsequent steps. Another disadvantage is that this separator device is physically large and takes up a lot of space. Moreover, the efficiency is not as good as one would like.

I US patentene nr. 3,959,139 og 5186823 og det norske patent nr. 175292 separeres bare to faser (væske/sand eller væske/væske) og ikke både gass, væske og sand, dvs. tre faser. Alle de tre vedlagte patentene anvender konisk ut-formede sykloner In the US patents no. 3,959,139 and 5186823 and the Norwegian patent no. 175292, only two phases (liquid/sand or liquid/liquid) are separated and not both gas, liquid and sand, i.e. three phases. All three of the attached patents use conically shaped cyclones

Oppfinnelsens hensikt Purpose of the invention

Hensikten med foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en separator som i ett trinn separerer gass, væske og faste partikler, som er mer kompakt enn konvensjonelle separatorer, som ikke nødvendigvis anvender en konisk utformet syklon og som betydelig øker separasjonsvirkningsgraden. The purpose of the present invention is to provide a separator which in one step separates gas, liquid and solid particles, which is more compact than conventional separators, which does not necessarily use a conically designed cyclone and which significantly increases the separation efficiency.

Kort omtale av oppfinnelsen Brief description of the invention

Foreliggende oppfinnelse er særpreget ved de trekk angitt i den karakteriserende del av krav i. Ytterligere fordeler og utførelser er angitt i de uselvstendige krav. The present invention is characterized by the features indicated in the characterizing part of claim i. Further advantages and embodiments are indicated in the independent claims.

Kort omtale av tegningene Brief description of the drawings

Fig. 1 viser et sideriss av en utførelse av separatoren i-følge foreliggende oppfinnelse, Fig. 2 viser et grunnriss av en foretrukket utførelse av innløpsenheten ifølge foreliggende oppfinnelse, og Fig. 3 viser et perspektivriss av utførelsen vist i fig. 1. Fig. 1 shows a side view of an embodiment of the separator according to the present invention, Fig. 2 shows a floor plan of a preferred embodiment of the inlet unit according to the present invention, and Fig. 3 shows a perspective view of the embodiment shown in fig. 1.

Detaljert beskrivelse Detailed description

Fig. 1 viser et sidesnitt av en utførelse ifølge oppfinnelsen, der en separerende, fortrinnsvis sylindrisk, eventuelt konisk enhet 9 er plassert innenfor en ytre, fortrinnsvis sylindrisk enhet 4. Den indre enhet 9 er ikke trykkbærende, mens den ytre sylindriske enhet 4 er trykkbærende. Innløpet 7 fører inn til den indre enhet 9 som separerer gass, væske og sand ved å lede strømningen inn i en sirkulær bane og derved separere mediene ved hjelp av sentrifugalkrefter. Fig. 1 shows a side section of an embodiment according to the invention, where a separating, preferably cylindrical, possibly conical unit 9 is placed inside an outer, preferably cylindrical unit 4. The inner unit 9 is not pressure-bearing, while the outer cylindrical unit 4 is pressure-bearing . The inlet 7 leads into the internal unit 9 which separates gas, liquid and sand by directing the flow into a circular path and thereby separating the media by means of centrifugal forces.

Rommet 8 mellom det indre og ytre rør 9, 4 fungerer som buffervolum for eventuelle væskeslugger. The space 8 between the inner and outer tubes 9, 4 functions as a buffer volume for any liquid slugs.

Det indre rør 9 kan ha en konisk form for å øke separa-sjonseffekten i visse tilfeller. The inner tube 9 can have a conical shape to increase the separation effect in certain cases.

Drenering av væskefilm fra topp av det indre rør 9 og ut til mellomrommet 8 kan skje ved at det indre rør er perfo-rert 5 ved sin øvre ende. Drainage of liquid film from the top of the inner tube 9 and out to the space 8 can take place by the inner tube being perforated 5 at its upper end.

Innløpsenheten er ordnet slik at gass-, væske- og sandblandingen kommer tangentialt inn i den indre sylinder igjennom en eller flere dyser 18. The inlet unit is arranged so that the gas, liquid and sand mixture enters the inner cylinder tangentially through one or more nozzles 18.

Eventuelt kan innløpet omfatte en stasjonær skovel som av-bøyer strømningsretningen og gjør den tangential. Optionally, the inlet may comprise a stationary vane which deflects the direction of flow and makes it tangential.

Øvre og nedre del av buffervolumet 8 er forbundet med hverandre via kanaler 17. The upper and lower parts of the buffer volume 8 are connected to each other via channels 17.

Nedre del av indre sylinder har påmontert en sand utskil-ler bestående av to konsentriske sylindere 11, 13 med dia-meter henholdsvis noen millimeter mindre og noe millimeter større enn separatorens indre rør 9. Disse to sylindrene er med unntak av spalteåpningen øverst 10, lukket i over-og nedkant og danner et tilnærmet lukket kammer. Sandutskilleren 11, 12, 13 er skråstilt i nedkant med en vinkel større enn rasvinkelen til sand 12. The lower part of the inner cylinder is fitted with a sand separator consisting of two concentric cylinders 11, 13 with diameters respectively a few millimeters smaller and a few millimeters larger than the separator's inner tube 9. These two cylinders, with the exception of the slit opening at the top 10, are closed at the top and bottom and form an almost closed chamber. The sand separator 11, 12, 13 is inclined downwards with an angle greater than the slope angle of sand 12.

En virvelavleder 15 er anordnet i nedre del av separatorens ytre sylinder. A vortex deflector 15 is arranged in the lower part of the separator's outer cylinder.

Innerste rør 9 er mulig å trekke ut av ytterste rør 4 ved bruk av separatoren på havbunnen. Separatoren må da split-tes ved innløpsenheten 7. The innermost pipe 9 can be pulled out of the outermost pipe 4 using the separator on the seabed. The separator must then be split at the inlet unit 7.

Separatoren kan utstyres med en sekundær dråpeutskiller 3 dersom kravene til væskeutskilling skulle tilsi dette. The separator can be equipped with a secondary drop separator 3 if the requirements for liquid separation should dictate this.

Ved å bygge opp syklonen av to deler, et ytre trykkbærende rør 4 og et indre, separerende rør 9 overvinnes flere kjente problemer: 1. Mellomrommet 8 mellom de to enhetene 4, 9 vil bli fylt opp med væske. Dette klart definerte væskespeilet vil forenkle nivåmålingen i separatoren. Dette kan nå gjøres med konvensjonell måleteknikk. Volumet av dette mellomrom-raet 8 vil også fungere som et buffervolum dersom strøm-ningen kommer inn som 11 væskes lugger" 2. Det indre, separerende røret er ikke belastet med differansen mellom prosesstrykk og det omgivende trykk og bygges derfor ikke i henhold til noen trykklassespesifika-sjon. Derfor kan dette byttes ut eller endres uten store kostnader. Dette kan vise seg svart hensiktsmessig dersom prosessbetingelsene endres (mengde og fasesammensetning). Dessuten kan valg av materiale velges med større frihet. 3. Innløpsenheten 6 (fig. 2) er laget slik at kommunika-sjonen mellom øvre og nedre del av separatoren i mellomrommet 8 mellom indre og ytre rør 4, 9 opprettholdes ved hjelp av kanaler 17. Gass-, væske- og sandblandingen ledes først inn i et ringrom som ligger på utsiden av den ytre sylinder 4, blandingen har da en bevegelsesretning som er parallell med spinnretningen i det indre rør 9. Deretter ledes blandingen via en eller flere kanaler 18 tangentialt inn i det indre rør 9. 4. Sand skilles ut ved at det et stykke ned, langs yt-terveggen, i det indre rør 9 er anordnet en ringformet spalte 10 som kan variere i størrelse (typisk 2-10 mm). Denne spalte 10 leder ned til et sandkammer 11, 12, 13. Litt nedenfor spalten 10 har dette kammeret 11, 12, 13 et noe større tverrsnitt enn selve spalten 10. Sand som har større tetthet enn både væske og gass vil da på grunn av sentrifugalkreftene legge seg langs det indre rørs 9 yt-tervegg og bli fanget opp av denne spalte 10 og dermed ledes ned i sandkammeret 11, 12, 13. Bunnen av kammeret 12 er skråstilt slik at sand lett kan flushes ut igjennom en ventil 14 påmontert i nedkant av kammeret 11, 12, 13. By building up the cyclone from two parts, an outer pressure-carrying tube 4 and an inner, separating tube 9, several known problems are overcome: 1. The space 8 between the two units 4, 9 will be filled with liquid. This clearly defined liquid mirror will simplify the level measurement in the separator. This can now be done with conventional measuring techniques. The volume of this intermediate space 8 will also function as a buffer volume if the flow comes in as 11 liquid lags" 2. The inner, separating tube is not burdened with the difference between the process pressure and the ambient pressure and is therefore not built according to any pressure class specification. This can therefore be replaced or changed without great expense. This may prove to be inappropriate if the process conditions change (amount and phase composition). Furthermore, the choice of material can be chosen with greater freedom. 3. The inlet unit 6 (fig. 2) is made so that the communication between the upper and lower parts of the separator in the space 8 between inner and outer pipes 4, 9 is maintained with the help of channels 17. The gas, liquid and sand mixture is first led into an annular space which lies on the outside of the outer cylinder 4, the mixture then has a direction of movement that is parallel to the direction of spin in the inner tube 9. The mixture is then led via one or more channels 18 tangentially into the inner tube 9. 4. Sand is separated by the fact that a short distance down, along the outer wall, in the inner tube 9, an annular gap 10 is arranged which can vary in size (typically 2-10 mm). This slot 10 leads down to a sand chamber 11, 12, 13. A little below the slot 10, this chamber 11, 12, 13 has a somewhat larger cross-section than the slot 10 itself. Sand, which has a greater density than both liquid and gas, will then, due to the centrifugal forces lie along the outer wall of the inner tube 9 and are captured by this gap 10 and are thus led down into the sand chamber 11, 12, 13. The bottom of the chamber 12 is inclined so that sand can easily be flushed out through a valve 14 mounted in lower edge of the chamber 11, 12, 13.

For å oppnå forbedret effekt kan den indre konsentriske sylinder 9 byttes ut med et konisk formet rør 9' med samme type spalte (ikke vist), dette vil opprettholde spinnhas-tigheten og føre til at sand med mindre kornstørrelse kan separeres. To achieve an improved effect, the inner concentric cylinder 9 can be replaced with a conical tube 9' with the same type of slot (not shown), this will maintain the spinning speed and lead to sand with a smaller grain size being able to be separated.

Foreliggende oppfinnelse kan brukes på flere måter i olje, gass produksjon: a) I en alternativ plattformbasert olje/vann/gass/sand-separasjonsprosess hvor separasjonen ikke foregår i konvensjonelle tanker, men i væske-/gass-/sandsykloner samt oljevann sykloner, eventuelt mekanisk drevne sentrifuger. b) Som en tilleggsinstallasjon til eksisterende plattformbasert e anlegg der gass og sand fjernes fra prosessen The present invention can be used in several ways in oil and gas production: a) In an alternative platform-based oil/water/gas/sand separation process where the separation does not take place in conventional tanks, but in liquid/gas/sand cyclones as well as oil-water cyclones, possibly mechanically driven centrifuges. b) As an additional installation to an existing platform-based facility where gas and sand are removed from the process

for separatorene. Dette for å øke effektiviteten til eksisterende separatorer. Ved å fjerne gass for separatorene kan væskenivået økes og oppholdstiden til vann og oljefa-sen vil derfor forlenges. Sand vil fjernes før væskefasen når separatoren. Akkumulering av sand i separatoren vil derfor unngås. for the separators. This is to increase the efficiency of existing separators. By removing gas for the separators, the liquid level can be increased and the residence time of water and the oil phase will therefore be extended. Sand will be removed before the liquid phase reaches the separator. Accumulation of sand in the separator will therefore be avoided.

c) For dypvannsinstallasjoner hvor væske og gass må separeres i forskjellige strømmer. Normalt er dette ønskelig c) For deep water installations where liquid and gas must be separated into different streams. Normally this is desirable

der produsert fasesammensetning sammen med topografiske forhold gjør rørledningene og mottaksstasjoner utsatte for uakseptabel "slugging". Normalt vil væskestrømmen etter en slik undersjøisk separasjon måtte pumpes ved hjelp av un-dersjøiske pumper, bruk av denne oppfinnelsen vil i til-legg til væske-/gasseparasjon skille ut sand og forhindre erosjon av pumper. where produced phase composition together with topographical conditions make the pipelines and receiving stations susceptible to unacceptable "slugging". Normally, the liquid flow after such an underwater separation will have to be pumped with the help of underwater pumps, use of this invention will, in addition to liquid/gas separation, separate out sand and prevent erosion of pumps.

d) Separatorens kapasitet kan økes ved at flere sykloner blir plassert i parallell eller ved at en enkelt syklon d) The separator's capacity can be increased by placing several cyclones in parallel or by a single cyclone

skaleres opp i størrelse. Effektiviteten kan tenkes forbedret ved at to eller flere sykloner blir plassert i serie . scaled up in size. Efficiency can be improved by placing two or more cyclones in series.

Ifølge foreliggende oppfinnelse gjennomføres separasjonen kun ved bruk av den konsentriske syklon. Virkemåten er forskjellig fra tidligere kjent teknikk ved at det kun er gass som blir ført ut igjennom toppen 2 av syklonen, mens væsken blir ført ut igjennom bunnen 16 av syklonen. Sand blir samlet opp i sandutskilleren 11, 12, 13 halvveis ned i syklonen. Det ytre rør 4 spiller kun en trykkbærende rolle og danner et buffervolum 8. According to the present invention, the separation is only carried out using the concentric cyclone. The way it works differs from previously known technology in that only gas is led out through the top 2 of the cyclone, while the liquid is led out through the bottom 16 of the cyclone. Sand is collected in the sand separator 11, 12, 13 halfway down the cyclone. The outer tube 4 only plays a pressure-carrying role and forms a buffer volume 8.

Claims

1. Separator for the separation of gas, liquid and sand comprising an inner tube 9 which functions as a cyclone, where the inner tube 9 is arranged within an outer pressure-bearing tube 4, characterized in that there is a gap 10 at the lower end of the inner tube 9 which forms a sand separator 11, 12, 13 and that the sand ski Heren 11, 12, 13 form an annular space comprising an outer cylinder 13 and an inner cylinder 11 .

2. Separator according to claim 1, characterized in that the inner tube 9 is cylinder-shaped.

3. Separator according to claim 1, characterized in that inner tube 9 is conical.

4. Separator according to claim 1, characterized in that the bottom 12 of the sand separator 11, 12, 13 is inclined.

5. Separator according to claim 4, characterized in that the sand separator 11, 12, 13 includes an outlet for the sand.

6. Separator according to one of the preceding claims, characterized in that the size of the gap 10 can be varied as needed, preferably between 2 and 10 mm.