NO316109B1

NO316109B1 - En coalescer anordning

Info

Publication number: NO316109B1
Application number: NO20015454A
Authority: NO
Inventors: Wojciech Piasecki; Pal J Nilsen; Gorm Sande
Original assignee: Aibel As
Priority date: 2001-11-07
Filing date: 2001-11-07
Publication date: 2003-12-15
Also published as: EP1448285B1; CN100339146C; OA13062A; US20050040045A1; AU2002343160B2; CN1607974A; EP1448285A1; ZA200404386B; ATE433791T1; NO20015454D0; DE60232678D1; WO2003039706A1; US7749459B2; BR0213974B1; BR0213974A; NO20015454L

Description

Teknisk område

Foreliggende oppfinnelse vedrører en elektrisk drevet innretning til bruk ved separasjon av et første ledende fluid emulgert i et andre fluid Oppfinnelsen finner sitt hovedbruksområde i oljeindustrien Den er særlig fordelaktig ved bruk offshore hvor utstyr er innrettet med den hensikt å fremme eller bevirke en forseparasjon av vann fra olje, eller en vanndråpeforstørrelse, før en ekstrahert emulsjon omfattende olje og vann videre ledes til en et-terfølgende settetank for tyngdeseparasjon

Oppfinnelsens bakgrunn

Fluider produsert fra en undergrunnsformasjon er vanligvis en trefaseblandmg av vann, olje og gass, hvor i det minste noe av vannet er emulgert i oljen Denne blanding av fluider blir vanligvis separert i sine faser nedstrøms brønnho-det, for å kunne leveres til rørledninger for videre dist-ribusjon En mulig fremgangsmåte for å utføre en slik separasjon er å bruke en tretrinnsprosess, med to tyngdesepara-tortanker etterfulgt av en siste separatortank som omfatter en elektrostatisk coalescer Tyngdeseparatorene omfatter vanligvis en strømningsretter ved inngangen Hensikten med strømningsretteren er todelt, å utligne strømningsregimet over tverrsnittet av tanken og å bevirke en mekanisk coale-scing av vanndråper før tyngdesepareringen, for å øke effektiviteten av separasjonsprosessen

Problemet med denne flertrinnsprosess er at separasjonen er mest effektiv i det første trinnet, hvor det er en stor prosentdel vann som skal separeres ut I det siste trinnet er prosentdelen vann relativt lav, hvilket betyr at en elektrostatisk coalescer må introduseres i denne tyngdese-paratortanken.

Fremdeles er effektiviteten lav, hvilket betyr at fluider må holdes i separatortanken i en lang tid for å tillate fa-sene å separere ut Derfor må tanken være stor, for eksempel omtrent 4 meter i diameter og 20 meter lang Det er tungvint å bruke en tank av denne størrelse på produksjons-stedet, særlig offshore hvor den tilgjengelige plass er be-grenset

Kjent teknikk

US 4,469,582 beskriver en elektrisk utstyrt skrå platesepa-rator i en nedstrøms beholder koblet til et elektrisk system for å generere elektriske felt innen passasjer i separatoren for å coalesce og separere en polar væske (vann) fra en ikke polar væske {olje). Separatoren består generelt av en rekke parallelle flate eller korrugerte plater (elektroder) gjennom hvilke den prosesserte blanding av væsker passerer Hver plate er laget av to seksjoner Den første seksjon er laget av et elektrisk ledende materiale Den andre, nedstrøms seksjon er laget av et ikke ledende materiale

US 4 919 777 beskriver en innretning for elektrostatisk/mekanisk separasjon av saltvann fra olje under strøm-ning gjennom en horisontal langstrakt tank, hvor det er tilveiebrakt coalescerelementer for fremming av de-emulgeringsprosessen Emulsjonen ledes gjennom elektriske felt hvor saltvannsdråpene får en elektrisk ladning, deretter beveges den gjennom et elektrisk jordet coalescings-element omfattende en rekke langstrakte nedoverhellende åpne rør arrangert i en bunt

En ulempe ved separatorene beskrevet i US 4,469,582 og 4,919,777 er at de begge benytter bare (udekkede, nakne) elektroder En coalescer med bare elektroder i kontakt med fluidene vil ikke motstå å fylles fullstendig med vann Saltvannet er ledende og vil kortslutte elektrodene, og sette det elektriske system ut av spill Med bare elektroder blir et vanninnhold på 10 prosent normalt betraktet som grensen Slike bare elektroder er også utsatt for korrosjon pga emulsjonen Derfor kan disse bare benyttes sent i rek-ken av settetanker, hvor vanninnholdet har blitt brakt ned under 10 prosentgrensen

Kortfattet beskrivelse av oppfinnelsen

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en innretning i en separasjonsbeholder, slik som en tyngdeseparatortank, som fremmer separasjonen av de individuelle faser i en blanding av fluider, og samtidig å sikre en passende pluggstrømning i separatoren(e)

En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en slik innretning som effektivt kan coalesce et ledende fluid i en emulsjon, slik som vann i en vann-olje emulsjon

En annen hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning som bidrar til en reduksjon av den samlede stør-relse av separatorbeholderen, og/eller kan redusere antal-let beholdere i en flertrinnsprosess

Enda en hensikt med oppfinnelsen er å tilveiebringe en innretning som enkelt installeres i eksisterende tyngdeseparatorer, dvs gjennom inspeksjonsluken ("manhole")

Disse hensikter oppnås med en innretning og et arrangement som benytter innretningen, som beskrevet i de vedføyde pa-tentkrav

Sammenfattet består oppfinnelsen av en kombinasjon av en strømningsretter og en rekke coalescerelementer

Uttrykt på en annen måte omfatter oppfinnelsen en stabel av coalescerelementer som samtidig virker som en strømnings-retter

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen blir beskrevet i detalj med henvisning til de vedføyde tegninger, hvor Figur 1 gir et skjematisk bilde av en tretrinns separa-sjonsprosess, ifølge kjent teknikk

Figur 2 viser en utførelse av oppfinnelsen

Figur 3 viser en annen mulig utførelse av foreliggende oppfinnelse Figur 4 viser en utførelse av oppfinnelsen som benytter induktiv energioverføring til de individuelle coalescerelementer Figur 5 viser en annen utførelse av oppfinnelsen som benytter kapasitiv energioverføring Figur 6 er et diagram som viser separasjonseffekten av en konvensjonell tyngdeseparator, hvor nivået av de separerte faser er vist som en funksjon av tid Figur 7 viser et tilsvarende diagram etter installasjon av en innretning ifølge foreliggende oppfinnelse Figur 8 viser en utførelse hvor den inventive innretning inkluderer en ytterligere perforert plate montert oppstrøms av matrisen av coalescerelementer Figur 9 viser et arrangement hvor flere innretninger ifølge foreliggende oppfinnelse er montert i serie.

Detailert beskrivelse av oppfinnelsen

Figur 1 er et skjematisk diagram av et separatorsystem, normalt plassert nedstrøms brønnhodet Noen av kravene for et slikt separatorsystem er å bringe ned trykket og tempe-raturen av oljeproduksjonsstrømmen fra brønnen (typisk 60 bar og 60 °C, respektivt) til typisk 1 bar og 15°C for eks-port I tillegg bør den eksporterte olje inneholde mindre enn 0,5 prosent vann For å møte disse krav kan det benyttes en tretrinnsprosess, omfattende tre tyngdeseparatortan-ker 1, 3, 5 En brønnstrøm inneholdende olje, vann og gass entrer den første separator 1 Separatoren l har en strøm-ningsretter 2 på inngangen Strømningsretteren virker til å sikre passende pluggstrømning i hoveddelen av tanken, dvs å fordele og homogenisere flerfasestrømmen over tverrsnittet av tanken Strømningsretteren er normalt en perforert plate med et bestemt trykktap for å fordele volumstrømmen jevnt Typisk er perforeringen 15-25 prosent av tverrsnittet med en diameter på hullene i området 10-30 mm Det er vanlig å benytte to slike plater, med hullene noe forskjø-vet radielt De nokså trange hullene vil introdusere noe turbulens i strømningen Dette vil virke til å coalesce vanndråpene og slik øke hastigheten på den etterfølgende separasjon av fluidene Fluidene som forlater den første separator vil typisk inneholde omtrent 2-30 prosent vann emulgert i oljen.

Neste separator 3 er av en lignende konstruksjon som den første separator 1, og vil bringe ned vanninnholdet til omtrent 1-10 prosent

Det blir nå vanskeligere å fjerne det gjenværende vannet og separasjonsprosessen i den siste separator 5 er derfor langsom, typisk beholdes fluidene i tanken i omtrent 10 minutter, sammenlignet med omtrent 3 minutter i de foregående separatorene

Ideen bak foreliggende oppfinnelse er å kombinere egenska-pene til en strømningsretter med en i-linje elektrostatisk coalescer Dette gjøres som vist i figurene 2 og 3, ved å benytte en stabel av individuelle elektrostatiske coalesce-re som hver omfatter en rørformet kanal gjennom hvilken emulsjonen skal strømme, og med eksterne elektroder på utsiden av kanalene for å påføre et elektrisk felt til emulsjonen, i stedet for de tradisjonelle perforerte plater for strømnmgsretting Derfor vil separasjonen fremmes i tillegg til å sikre passende pluggstrømnmg i separatorene Denne nye strømningsretter/coalescer installeres i de førs-te tyngdeseparatorer 1, 3, fortrinnsvis ved deres innløp Her er effekten av separasjonsprosessen på sitt høyeste og den inventive strømningsretter/coalescer vil forbedre effektiviteten av disse separatorer 1,3 Effektiviteten av nevnte separatorer kan slik vesentlig forbedres slik at oljen som forlater den andre separator inneholder mindre enn 0,5 prosent vann, dvs møter kundens krav Slik kan den siste separator 5 i ytterste fall sløyfes Figur 2 viser en første utførelse av den inventive kombinerte coalescer og strømningsretter Innretningen omfatter et antall småskala coalescerelementer 21 organisert i en matrise over tverrsnittet av separatoren eller beholderen Hvert coalescerelement 21 omfatter en fortrinnsvis rørfor-met kanal 24 laget av et isolerende materiale og en første elektrode 25 og en andre elektrode 26 festet til kanalen 24 på dens ytre overflate Veggen i kanalen 24 separerer elektrodene 25, 26 fra umiddelbar kontakt med emulsjonen eller fluidene som strømmer gjennom kanalen De individuelle kanaler definerer rader, og et antall elektroder er innrettet som plater som separerer tilliggende rader Slik er elektrodene 25 og 26 felles for alle kanaler i hver rad, hver elektrode er også felles for radene på motsatte sider De første elektroder 25 er av motsatt polaritet sammenlignet med de andre elektroder 26 Figur 3 viser en alternativ utførelse av den inventive innretning, hvor hver separat kanal 34 er omgitt av et par helisk viklede elektroder 35, 36, som har motsatt polaritet, som beskrevet i norsk patentsøknad 2000 2383 Imidlertid, mens denne utførelse har vist seg å være mer effektiv enn den første utførelse for å separere fluidene, er dette et mer komplisert design å implementere og den første utfø-relse vil derfor være den foretrukne utførelse

Et ytterligere krav for den inventive innretning er at den skal tåle både å oversvømmes med vann, dvs å delvis eller fullstendig fylles med en vannkontinuerlig fase, og å gå tørr, dvs bli delvis eller fullstendig fylt med gass For å møte dette krav må det benyttes isolerte elektroder I utførelsene vist i figurene 2 og 3 er elektrodene eksterne i forhold til rørene, og slik vil det ikke oppstå problemer for emulsjoner med høyt vanninnhold Som nevnt tidligere er oppfinnelsen ment å installeres oppstrøms i separasjonsprosessen, selv i den første separatortank hvor vanninnholdet er høyt Det vil da være en forutsetning å benytte isolerte elektroder for å håndtere emulsjoner inneholdende over 10 prosent vann

Den inventive innretning er ment å benyttes i offshore-installasjoner både på dekk og undersjøisk, dvs på havbun-nen I disse barske omgivelser foretrekkes det å føde innretningen fra en lavspennmgs strømkilde Lavspennmgslm-jen, typisk 4 00 volt AC, ledes gjennom veggen av beholderen inn i en sentral modul 41, 57 med en eller flere integrerte transformatorer, se figurene 4 og 5 Matrisen av coalescerelementer er fortrinnsvis laget som coalescermoduler I tilfeller hvor den inventive innretning benyttes i etterut-styrsmarkedet, må størrelsen på hver modul ikke overskride størrelsen på inspeksjonsluken i en eksisterende separatortank.

I den foreliggende oppfinnelse blir den elektriske energi overført uten galvanisk kontakt mellom den sentrale modul 41, 51 og de korresponderende coalescermoduler 42, 52 for å drive elektrodene i coalescermodulene I utførelsen vist i figur 4 benyttes induktiv kobling for å drive coalescerelektrodene Den sentrale modul 41 omfatter et antall primære transformatorviklinger 45 på halvkjerner 44 Tilliggende den sentrale modul 41 er det montert et antall coalescermoduler 42, som hver omfatter en korresponderende se-kundærvmkling 47 på en halvkjerne 46 Hver halvkjerne 44, 46 er montert nær veggen til den respektive modul 41, 42 beskyttet av et isolerende lag Coalescermodulene 42 er montert på den sentrale modul 41 i separatorbeholderen, og halvkjerner 44, 46 og viklinger 45, 47 vil sammen danne en fullstendig transformator Transformatorene fødes med lav-spent AC fra linjen 43 og forsyner elektrodene i coalescermodulene 42 med høyspenning Denne induktive kobling tillater alle deler av konstruksjonen som overfører elektrisitet å bli fullstendig innlagt i olje/vann kompatible isolerende materialer og slik beskytte dem mot det barske miljøet til-stede i separatoren Modulene kan for eksempel støpes inn i epoksy Valget av passende materialer for dette bruk er ytterligere beskrevet i norsk patentsøknad nr 2000 2383

En annen måte å oppnå energioverføring uten galvanisk kontakt mellom den sentrale modul og de naboliggende elektro-demoduler er å bruke kapasitiv kobling, se figur 5

Utførelsen vist i figur 5 omfatter en sentral modul 51 omgitt av coalescermoduler 52 Den sentrale modul 51 inkluderer en transformator fødet med lavspennings AC Høyspenning fra tranformatorsekundærene fødes til plater 53 plassert parallelle med, og i tett nærhet til modulveggen

I coalescermodulene 52 er korresponderende plater 54 plassert parallelle med veggen inntil den sentrale modul 51 Par av plater 53, 54 plassert i den sentrale modul 51 og i coalescermodulene 52 danner kondensatorer, hvilket tillater energioverføring fra den sentrale modul 51 til elektrodene i de naboliggende coalescermoduler 52 Som i tilfelle med induktiv kobling er imidlertid mange måter kjent for fagfolk på området for teknisk å oppnå den kapasitive energi-overføring mellom den sentrale modul og de naboliggende coalescermoduler Den som er vist i figur 5 er bare et eksempel presentert for å vise konseptet for bruk av kapasitiv kobling for å tillate kontaktløs overføring av energien som kreves for å drive elektrodene i coalescermodulene

Enda en måte for å levere høyspenning til elektrodene i coalescerelementene som er arrangert i en eller flere moduler, er å støpe en komplett transformator inn i hver individuell coalescermodul I denne foretrukne utførelse har transformatoren i modulen en separat lavspennings viklingsterminal tilgjengelig fra utsiden, og samtidig er den høy-spente sekundærvikling isolert fra fluidene

I utførelsene vist i figurene 2-5 kan hver individuell kanal typisk være 5-30 mm i diameter og 100-500 mm i lengde. Figur 6 viser resultatene av noen eksperimenter med en meget stabil vann-olje emulsjon inneholdende 10 prosent vann Emulsjonen tillates å separere ved gravitet i en tank Linjen med firkantede punkter i figur 6 viser posisjonen av grensen mellom vannet eller den vannkontinuerlige fase og emulsjonen, mens linjen med triangulære punkter viser den korresponderende grense mellom emulsjonen og oljen eller den oljekontinuerlige fase Som diagrammet viser, med en blanding inneholdende 10 prosent vann blir det ikke observert noen separasjon i de første fem timer Separasjonen fortsetter deretter meget sakte og ingen synlig grense mellom den oljekontinuerlige og vannkontinuerlige fase blir observert Figur 7 viser resultatene etter introduksjonen av den inventive innretning i settetanken. I eksemplet er holdetiden i den kombinerte coalescer- og strømningsretterinnretning omtrent 4 sekunder Som det kan ses fra figuren blir det oppnådd en tydelig grense mellom de oljekontinuerlige og vannkontinuerlige faser som indikert ved linjen med sirku-lære punkter, og separasjonsprosessen er nesten fullført etter omtrent en time Leseren bør være oppmerksom på at dette er en laboratorieoppstilling i liten skala, hvilket er årsaken til at de observerte settetider ikke korrespon-derer til de tider som er nevnt tidligere for et fullskala produksj onsanlegg

Por en konvensjonell strømningsretter i en settetank er det fordelaktig at fluidene oppnår et betydelig turbulensnivå for å fremme kollisjonshastigheten for dråpene og derved coalensens og tilveiebringe tilstrekkelige skjærkrefter til å bryte ned et tett emulsjonslag Dette oppnås normalt ved et jevnt fordelt trykkfall gjennom hele tverrsnittet av tanken Dette fremmer også det ønskede pluggstrømningsmøns-ter i settetanken

I en innretning ifølge oppfinnelsen kan turbulensen økes ved å begrense strømnmgsarealet ved innløpet til hver kanal, eller ved enhver annen fremgangsmåte, som velkjent av fagfolk

De rørformede kanaler kan også arrangeres slik at de heller nedover i strømningens retning Dette fremmer en selvren-sende effekt, for å unngå at partikler slik som sand ført med av fluidene, blir sedimentert i kanalene og muligens tetter de til

Et arrangement som benytter foreliggende oppfinnelse er vist i figur 8 En coalescerinnretning 82 er montert nær innløpet av en tyngdeseparatortank En ytterligere perforert metallplate 81 er montert oppstrøms av coalescingsinn-retnmgen 82 Platen er koblet til jord (dvs tanklegemet) eller mer korrekt til den midlere verdi av potensialene U+ og U- påført coalescerelektrodene Dette arrangement frem-bringer flere inhomogene elektriske felt i området 83 mellom kantene av elektrodene og den perforerte plate, som betydelig utvider den aktive sone av coalescerinnretningen Platen vil også virke til å fordele og homogenisere strøm-ningen over tverrsnittet av tanken

I figur 9 er det vist et annet arrangement som involverer oppfinnelsen I en tyngdeseparatortank er coalescerinnret-ninger 92a, 92b, 92c arrangert i serie i strømningsretning-en I de etter hverandre arrangerte innretninger 92a, 92b, 92c, er coalescerelektroder i den samme vertikale posisjon koblet til motsatt polaritet Dette virker til å frembringe sterkt inhomogene elektriske felt i området mellom de etter hverandre arrangerte innretninger, hvilket utvider den aktive sone av coalescerinnretningen

Claims

1 Innretning plassert i en separatorbeholder med et inn-løp og et antall utløp, gjennom hvilke det strømmer en blanding av fluider, for å fremme elektrostatisk coalesens av et første ledende fluid emulgert i et andre fluid, karakterisert ved at nevnte innretning omfatter et antall rørformede elektrostatiske coalescerelementer (21, 31) isolert fra nevnte fluider og som strekker seg i strømningsretmngen som er arrangert i en matrise (22, 32) som vesentlig dekker hele tverrsnittet av nevnte beholder, og organer for å påføre et elektrisk felt til fluidene som strømmer gjennom nevnte coalescerelementer (21,31)

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert coalescerelement (21) inkluderer en isolerende rørformet kanal (24), idet nevnte organer for å påføre et elektrostatisk felt til fluidene omfatter et samvirkende par av en første og en andre elektrode (25, 26) som er arrangert på utsiden av og tilliggende den isolerende rørformede kanal (24), hvor nevnte elektroder har motsatt polaritet (25, 26), og er atskilt av en spalte og strekker seg parallelt i lengderet-ningen av nevnte kanal

3. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at elektrodene (25, 26) er laget som langstrakte plater som er felles for alle coalescerelementer i en rad i matrisen, og er felles for tilliggende rader

4 Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at hvert coalescerelement (31) omfatter en isolerende rørformet kanal (34), nevnte organer for å påføre et elektrostatisk felt til fluidene omfatter et samvirkende par av en første og en andre elektrode (35, 36) som er arrangert på utsiden av og til liggende til nevnte isolerende kanal (34), idet nevnte elektroder har motsatt polaritet og er atskilt av en spalte og strekker seg parallelt og helisk rundt kanalen

5 Innretning ifølge krav 2-4, karakterisert ved at coalescerelementene (21, 31) er innrettet i minst én coalescermodul, at en komplett transformator er støpt inn i nevnte modul, at nevnte transformator har primær viklingsterminal tilgjengelig fra utsiden og høyspent sekundær vikling isolert fra fluidene

6. Innretning ifølge krav 2-4, karakterisert ved at innretningen omfatter en sentral modul (41) som forsynes med spenning, at matrisen av coalescerelementer (21, 31) er arrangert i et antall coalescermoduler (42) montert på motsatte sider og tilliggende nevnte sentrale modul (41), og at elektrisk energi overføres ved induktiv kobling fra den sentrale modul (41) til elektrodene (25, 26, 35, 36) i coalescermodulene (42)

7 Innretning ifølge krav 6, karakterisert ved at den sentrale modul (41) omfatter et antall primære transformatorviklinger og halvkjerner (43), hver av nevnte coalescermoduler (42) omfatter en korresponderende sekundær transformatorviklmg og en halvkjerne (44), idet halvkjernene i coalescermodulene (42) og i den sentrale modul (41) induktivt fullfører en magnetisk krets som tillater elektrisk energi å overføres til elektrodene (25, 26, 35, 36)

8 Innretning ifølge krav 7, karakterisert ved at den sekundære vikling og coalescerelementene på hver modul er støpt inn i et isolerende materiale, og danner integrerte moduler

9 Innretning ifølge krav 2-4, karakterisert ved at innretningen omfatter en sentral modul (51) som forsynes med spenning, at matrisen av coalescerelementet (21) er arrangert i et antall coalescermoduler (52), montert på motsatte sider av og tilliggende nevnte sentrale modul (51) og at elektrisk energi overføres ved kapasitiv kobling fra den sentrale modul (51) til elektrodene (25, 26, 35, 36) i coalescermodulene (52)

10 Innretning ifølge krav 9, karakterisert ved at den sentrale modul (51) omfatter et antall primære kondensatorplater (53), hvor hver av nevnte coalescermoduler (52) omfatter korresponderende sekundære kondensatorplater (54), idet platene (53, 54) i coalescermodulene (52) og i den sentrale modul (51) er montert tilliggende hverandre og atskilt av et isolerende lag, og platene (53, 54) fullfører en kapasitiv kobling som tillater elektrisk energi å overføres til elektrodene

11 Innretning ifølge krav 10, karakterisert ved at de sekundære kondensatorplatene og coalescerelementene for hver modul er støpt inn i et isolerende materiale, og danner integrerte moduler.

12. Innretning ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at de rørformede kanaler er 5-30 mm i diameter og 100-500 mm lange.

13 Innretning ifølge krav 12, karakterisert ved at kanalene heller nedover i strømningsretningen

14. Innretning ifølge et av kravene 1-13, karakterisert ved at innretningen videre matrisen av coalescerelementer (21) og som dekker vesentlig hele tverrsnittet av beholderen

15. Innretning ifølge krav 14, karakterisert ved at nevnte plate (81) er jordet til separatorbeholderen

16. Anvendelse av minst to innretninger ifølge et av kravene 1-13 arrangert i serie i strømningsretningen, idet elektroder av den samme vertikale posisjon i to tilliggende arrangerte innretninger er av motsatt polaritet 17 Anvendelse av minst to innretninger ifølge et av kravene 1- 12, arrangert i serie i strømningsretningen, idet elektrodene i den samme vertikale posisjon i to tilliggende arrangerte innretninger er av samme polaritet