NO330156B1

NO330156B1 - En anordning for koalisering av fluider

Info

Publication number: NO330156B1
Application number: NO20063219A
Authority: NO
Inventors: Pal Jahre Nilsen
Original assignee: Hamworthy Plc
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2011-02-28
Also published as: WO2008007185A1; GB0815359D0; NO20063219L; US20100000867A1; GB2455383B; GB2455383A

Abstract

En anordning for å koalescere en emulsjonskomponent i en emulsjon omfattende en blanding av minst to forskjellige fluidkomponenter ved hjelp av et elektrisk felt påført emulsjon, idet anordningen inkluderer minst ett elektrostatisk koalescerelemnt. Koalescerelementet inkluderer en rørformet kanal laget av et elektrisk isolerende materiale, en første elektrode montert på én side av den rørformede kanal, en andre elektrode montert på den annen side av den rørformede kanal, en første endevegg som inkluderer en første åpning innrettet til å motta en første ende av den rørformede kanal, en andre endevegg som inkluderer en korresponderende andre åpning innrettet til å motta en andre ende av den rørformede kanal. Veggene vil sammen med den rørformede kanal isolere emulsjonen fra elektrodene.

Description

Oppfinnelsens område

Foreliggende oppfinnelsen vedrører en elektrisk drevet anordning for bruk ved separasjon av et første fluid emulgert i et andre fluid med forskjellige dielektr-iske egenskaper. Oppfinnelsen kan ha et bredt bruksområde, men er særlig nyttig i oljeindustrien for å fjerne vann fra en strøm av olje og gass produsert fra en brønn.

Bakgrunn for oppfinnelsen

Fluider produsert fra en undergrunnsformasjon er vanligvis en blanding av vann, olje og gass (og sand), hvor minst noe av vannet er emulgert i oljen. Denne blandingen av fluider blir vanligvis separert i sine komponenter nedstrøms brønn-hodet for å kunne leveres til rørledninger for videre distribusjon. En mulig metode for å utføre en slik separasjon er å bruke en flertrinnsprosess som involverer et antall gravitasjonsseparatortanker i rekke. For å forbedre virkningen av en gravita-sjonsseparatortank kan tanken i tillegg utstyres med elektrostatiske koalesceran-ordninger.

En særlig fordelaktig koalesceranordning er beskrevet i norsk patent NO316109, eid av foreliggende søker. Denne anordningen inkluderer et antall elektrostatiske koalescerelementer som er arrangert i en matrise som vesentlig dekker hele tverrsnittet av en separatorbeholder. Brønnfluidene tvinges til å strøm-me gjennom denne matrisen av koalescerelementer som virker som en strømn-ingsretter i tillegg til å tilveiebringe koalescereffekten. Hvert element er utstyrt med isolerte elektroder for å påføre et elektrisk felt til de passerende fluider. Det isolerte arrangement av elektroder tillater anordningen å virke effektivt under meget forskjellige betingelser, slik som at tanken nesten går tørr (for eksempel høyt gass-innhold i de produserte fluider), eller at tanken nesten blir fylt med saltvann. En annen fordel ved denne anordning er at koalescerelementene er arrangert i hend-ige moduler, som er støpt, hvilket tillater anordningen å enkelt ettermonteres i eksisterende separatortanker.

Fluidkanalene i koalescerelementene beskrevet i NO 316109 ble støpt i en epoksyresin. Imidlertid er epoksyresin organiske materialer som degraderes etter tid i barske omgivelser, for eksempel ved prosessering av råolje. Nedbrytningen påvirker de elektriske egenskaper til elementene, og kan redusere levetiden til anordningen. Nedbrytningen går vesentlig raskere ved høytemperatur-prosessering. Dette krever at anordningen erstattes ved visse tidsintervaller (korte ved høye temperaturer). Erstatning av anordningen er ikke alltid mulig. Noen ganger er det ikke økonomisk akseptabelt, eller det er ikke fysisk mulig som i en undersjøisk anvendelse. For å øke effektiviteten av anordningen har det blitt be-nyttet høyere feltstyrker. Dette kan forårsake partielle utladninger i emulsjonen og i selve anordningen. Organiske materialer har en begrenset motstand mot partielle utladninger, som kan begrense det påførte elektriske felt i anordningen.

Koalescermodulene beskrevet i NO 316109 er også kostbare å fremstille. Dette er hovedsakelig på grunn av støpeformene. Former er kostbare og en ny form må lages for hver design. Dette begrenser også antallet verksteder som kan fremstille modulene, det vil si at produksjonen er begrenset til verksteder som kan fremstille støpeformer.

Sammenfatning av oppfinnelsen

Det er hovedhensikten ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en koalesceranordning som kan operere ved meget høye temperaturer med en akseptabel levetid.

En annen hensikt er å tilveiebringe en anordning som kan fremstilles i ethvert velutstyrt verksted på en kostnadseffektiv måte.

Dette oppnås av en koalesceranordning i følge oppfinnelsen som beskrevet i de vedføyde krav.

Den foreliggende oppfinnelsen tilveiebringer en anordning for å koalescere en emulsjonskomponent i en emulsjon omfattende en blanding av minst to forskjellige fluidkomponenter ved hjelp av et elektrisk felt påført emulsjonen. Anordningen inkluderer minst ett elektrostatisk koalescerelement. Koalescerelementet inkluderer en rørformet kanal laget av et elektrisk isolerende materiale. En første elektrode er montert på en side av den rørformede kanal. En andre elektrode er montert på den annen side av den rørformede kanal. En første endevegg inkluderer en første åpning tilpasset å motta en første ende av den rørformede kanal. En andre endevegg inkluderer en korresponderende andre åpning tilpasset å motta en andre ende av den rørformede kanal. De nevnte vegger isolerer emulsjonen fra elektrodene sammen med den rørformede kanal.

Nærmere bestemt kan den foreliggende oppfinnelse tilveiebringe en koalescer hvor fluidkanalen er laget av et rørformet objekt av et isolerende materiale. I en særlig foretrukket utførelse er de rørformede objektene laget av et keramisk materiale, hvor rørene er montert i en boks av rustfritt stål som omfatter en koalesceranordning. Bruk av materialer slik som keramikk har flere fordeler i tillegg til evnen til å motstå høye temperaturer. Keramer er velkjent for deres kjemiske motstandsevne og stabile elektriske egenskaper. I tillegg har keramer en meget høy lysbuemotstand, og tillater bruk av meget høye feltstyrker.

Kortfattet beskrivelse av tegningene

Oppfinnelsen vil bli beskrevet i detalj med henvisning til de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1a-e er skjematiske bilder av hvordan en utførelse ifølge foreliggende oppfinnelse kan settes sammen, Fig. 2-6 viser forskjellige utførelser av hvordan et koalescerelement kan monteres (direkte eller indirekte) til en endevegg ifølge foreliggende oppfinnelse, Fig. 7 viser en separatorbeholder med en koalesceranordning som dekker hele tverrsnittet av tanken ifølge en utførelse av foreliggende oppfinnelse, Fig. 8 viser en separator med en koalesceranordning, hvor anordningen delvis dekker tverrsnittet av tanken ifølge en annen utførelse av foreliggende oppfinnelse.

Detaljert beskrivelse ifølge foretrukne utførelser av oppfinnelsen

Fig. 1 viser de forskjellige komponenter som danner en koalescermodul konstruert ifølge foreliggende oppfinnelse, og hvordan de settes sammen.

Som vist i Fig. 1a, inkluderer modulen en installasjonsplate 10 og en koalescer-boks montert på nevnte installasjonsplate 10. Boksen inkluderer en første endeplate 12 og en vegg 11. installasjonsplaten og boksen kan være laget av rustfritt stål, for eksempel av 3 mm tykkelse. Som vist i Fig. 1b inkluderer den første endeplaten 12 en rekke av første monteringshull 13 og et antall første elektrodeplater 14 (jordede elektroder). Som vist i Fig. 1c vil det i hvert første monteringshull 13 monteres et koalescerrør 15 som danner en kanal gjennom hvilken fluidblandingen er ment å passere. I én del, slik som et hjørne, av boksen er det innrettet en transformator 18. Transformatoren inkluderer en primærvikling koblet til en primærkilde for elektrisitet utenfor koalesceren, og en sekundær høyspenningsvikling koblet til høyspenningskonnektorer (ikke vist). Høyspennings-konnektorene holder et antall andre elektrodeplater 17 (høyspenningselektroder). Høyspenningskonnektorene og andre elektrodeplater 17 er isolert fra boksen og de første elektrodeplater 14.

Som vist i Fig. 1d er det montert en andre endeplate 19 med andre monteringshull 110 og tredje elektrodeplater 111 (jordede elektroder) på toppen av boksen og som lukker modulen. De andre monteringshull 110 vil ta opp den annen ende av koalescerrørene 15. Koalescerrørene 15 er montert fluidtett i de første og andre endeplater og danner et fluidtett kammer inne i boksen.

De tredje elektrodeplatene 111 danner sammen med de første elektrodeplatene 14 et sett av elektrodeplater som passerer mellom hver annen rad av koalescerrør 15. Det korresponderende sett av elektroder (de korresponderende andre elektroder i hvert par) er dannet av de andre elektrodeplatene 17. Elektrodeplatene drives av transformatoren 18. Av sikkerhetsårsaker er boksen jordet når den er montert i separatortanken, og de andre elektrodene settes på fullt poten-siale. Innsiden av koalescermodulen kan fylles med isolerende olje eller isolerende gass, slik som SF6. Det indre trykket kan balanseres mot utsiden ved hjelp av ekspansjonsbelger (ikke vist). Dette betyr at det ikke vil være noe trykkforskjell som virker på tetningen mellom koalescerrørene og monteringshullene. Imidlertid kan innsiden av boksen også være trykksatt, ettersom isolasjonsstyrken av gas-sen kan øke med økende trykk. Sterke elektriske felt vil oppstå i området tillig-gende røret hvis koalescerkanalene blir fylt med saltvann. Derfor kan det med fordel plasseres et avstandsstykke (ikke vist) mellom røret og den isolerende oljen. Dette avstandsstykket bør være elektrisk isolerende, ha lavere permittivitet enn oljen, og ha høyere elektrisk styrke. Den lave permittiviteten vil flytte feltets topp-verdi inn i avstandsstykket som vil motstå det høye feltet. Et egnet materie for dette avstandsstykke er PFTE, selv om andre materialer også kan brukes. Avstandsstykket kan tilveiebringes som et lag eller kappe på røret.

Røret 15 kan lages fra et hver egnet isolerende materiale inkludert keramer, glass eller termoplast (det siste er typisk for bruksområder med lavt trykk/lav temperatur). Det er mange keramiske materialer som er egnet for dette bruks- området. Keramer er en vid gruppe av materialer. Egnete varianter inkluderer keramer brent ved høye temperaturer, slik som klassisk feltspatt keramikk (porselen), aluminiumnitridkeramer eller komposittkeramer. Det er også mange egnede varianter av glass inkludert vanlige natriumglass og herdet borsilikatglass slik som Py rex®. Figur 1e viser den sammensatte koalescermodulen. En konnektoråpning 112 er inkludert i den andre endeplaten gjennom hvilken kraft leveres til transformatoren. Fig. 2 viser hvordan hvert keramiske rør kan monteres i de første og andre endeplater ifølge en utførelse av oppfinnelsen. Røret 21 er montert i en bøssing 24, og strekker seg gjennom endeplaten 22. En første ekspanderbar pakning 26 er plassert mellom bøssingen 24 og røret 21 og hindrer fluid fra å komme inn på innsiden av koalesceranordningen. En kileformet ring 27 er innrettet til å utøve trykk på den første pakning og presse den mot røret. Den kileformede ring bringes under trykk gjennom en ringformet mutter 25 som skrues inn i en ytre del av bøs-singen med korresponderende gjenger. Bøssingen 24 har en indre gjenget del 28 og skrues inn i korresponderende gjenger i endeplaten 22. En andre pakning 23 hindrer inntrengning av fluider mellom endeplaten og bøssingen. Alle komponenter i denne spesielle utførelse av oppfinnelsen kan med fortrinn lages av rustfritt stål. Dette er en utførelse særlig egnet for anvendelse ved høyt trykk og temperatur. Denne måte å montere røret på tillater store forskjeller i lengden av røret, det vil si store toleranser i lengde. Fig. 3 viser en annen utførelse ifølge oppfinnelsen. Denne utførelse bruker en såkalt komprimerbar pakning som inkluderer en kilering 36 som presses mot en kompresjonspakning 37. Kileringen 36 og kompresjonspakningen 37 trykkes sammen av ringmutter 35. Røret 31 og bøssingen 34 monteres i endeplaten 32 på samme måte som i Fig. 2. Også komponentene 32 til 37 i denne utførelse kan lages i rustfritt stål og brukes under forhold med høyt temperatur og trykk. Fig. 4 viser en utførelse beregnet for betingelser med mindre høyt trykk. Røret 41 er også i denne utførelse montert i en bøssing 44. Banen mellom rør og bøssing lages fluidtett med en tetningsring 46 av PFTE (for eksempel Teflon®). Tetningsringen er konstruert som en normal oljeprosesseringstetningsring med en ringformet ekspansjonsfjær 47. Tetningsringen monteres inne i bøssingen 44 ved

hjelp av en ringmutter 44 som trykker den mot en avsats i bøssingen 44. Bøss-ingen er ment å festes til endeplaten 42 ved sveising. Sveisesømmen 48 vil da tette innsiden av anordningen mot fluidene på utsiden. Bøssingen kan også gjenges og festes til endeplaten 42 med en mutter som inkluderer en tetningsring.

I Fig. 5 er det vist en utførsel hvor bøssinger 59 er krympet på røret 51. Krympetilpasning betyr at bøssingen varmes før den monteres på røret. Når den avkjøles vil den trekke seg sammen og gripe røret. Bøssingen inkluderer en avsats 510 som hindrer røret fra å bevege seg inne i bøssingen. Avsatsen 510 har avrundede hjørner for å forhindre forhold med lokalt stress. En liten slisse 511 gir noe aksialt ekspansjonsrom for røret 51, og vil ta opp produksjonstoleranser. Bøssingen er beregnet til å sveises til endeplatene. En del 512 av bøssingen 59 har redusert diameter for å tillate at koalescerelementene monteres tett sammen mens det fremdeles gis tilstrekkelig plass for sveisesømmen. Bøssingene er fortrinnsvis laget av rustfritt stål. Fig. 6 illustrerer enda en utførelse. Denne utførelse er tilsvarende den vist i figur 5, men bøssingene er ikke krympet på røret. I stedet er bøssingene 69 limt på røret 61. En liten ringformet spalte 613 er tilveiebrakt mellom røret og hver bøs-sing, idet spalten er fylt med lim. Det aktuelle lim kan være en epoksyresin eller silikon for bruk under normale temperaturer. Silikatlim kan brukes når det forven-tes høyere temperaturer (opp til omtrent 200 °C). Innsiden av hver bøssing 69 og/eller utsiden av røret 61 kan være utstyrt med spor for limet. Denne utførelse har en fordel over den foregående utførelsen i det at oppvarming av bøssingene blir unngått, når de monteres på røret. Bøssingene er fortrinnsvis laget av rustfritt stål. Fig. 7 viser den inventive koalesceranordning installert i en separatortank eller i en rørseksjon 70. Den øvre figuren viser et tverrsnitt gjennom tanken eller røret 70. Den nedre figuren viser et langsgående snitt langs linjen A-A. Den store pilen viser strømningsretningen av fluider, mens 71 betegner elektrodene veksl-ende med rader av koalescerkanaler (vist som stiplede linjer i den øvre figuren). Koalesceranordningen dekker hele tverrsnittet av tanken/røret og tvinger alle fluidene til å passere gjennom koalescerkanalene. Koalesceranordningen kan konstr-ueres som en enkelt enhet som dekker hele snittet av separatortanken/røret. Imidlertid er det i tilfelle av en separatortank foretrukket å konstruere koalesceren som mindre moduler som kan bringes inn i separatortanken gjennom en liten inngang, slik som et mannhull, og der settes sammen til en full koalescerenhet. Dette letter ettermontering i eksisterende separatortanker.

Fig. 8 viser en separatortank/rørseksjon hvor koalesceranordningen bare dekker en del av tverrsnittet. Slik vil bare en del av fluidene passere igjennom koalesceranordningen og bli påvirket av feltet fremskaffet av elektrodene 81. Denne delen kan være et emulsjonslag mellom vannet og oljefasen. Slik blir bare de blandede fluider koalescert, mens resten kan passere uhindret. Koalescerrørene blir generelt montert i en horisontal posisjon eller nær horisontal ettersom det kan være ønskelig å la rørene helle noe for å unngå oppsamling av komponenter som skal separeres, slik som vann. Som vist i Fig. 1 inkluderer hver modul en separat transformator. Imidlertid opptar transformatoren plass som bedre kan brukes til å tilveiebringe flere koalescerrør. Derfor kan det være ønskelig å ekskludere transformatoren i modulene og i stedet mate modulene fra en felles kraftforsyning, som kan være plassert utenfor separatortanken.

En forskjell mellom foreliggende oppfinnelse og den tidligere kjente

koalesceren i NO 316109, er at i den tidligere konstruksjon av epoksy er elektrodene isolert fra fluidet, hvilket betyr at det isolerende materialet er i direkte kontakt med elektrodene, mens i den nye oppfinnelsen er det fluidet som er isolert. Dette betyr at elektrodene er frittstående.

En fordel ved den inventive koalesceranordning er at den er geometrisk meget fleksibel. Den kan dekke hele tverrsnittsområdet av en separator som illustrert i Fig. 7, eller den kan lages i mindre moduler av enhver form. De rør-formede kanaler kan enkelt lages lengre enn de som er beskrevet i NO 316109. En annen fordel er at koalesceranordningen ikke må støpes. Komponentene i en koalescerenhet eller modul kan derfor lages på forskjellige steder eller posisjoner som tillater mer parallell produksjon. Videre har materialene en høyre robusthet; har en høyere lysbuemotstand, er kjemisk inert og absorberer ikke vann ved høye temperaturer. Den høye overslagsmotstanden betyr at høyere feltstyrker kan påføres.

Claims

1. En anordning for å koalescere en emulsjonskomponent i en emulsjon omfattende en blanding av minst to forskjellige fluidkomponenter ved hjelp av et elektrisk felt påført emulsjonen, idet anordningen inkluderer minst ett elektrostatisk koalescerelement, karakterisert vedat koalescerelementet inkluderer en rørformet kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61) laget av et elektrisk isolerende materiale, en første elektrode (14) montert på en side av den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61), en andre elektrode (111) montert på den annen side av den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61), en første endevegg (12, 22, 32, 42) inkludert en første åpning (13) tilpasset å motta en første ende av den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61), en andre endevegg (19) inkludert en korresponderende andre åpning (110) tilpasset å motta en andre ende av den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61), hvor nevnte vegger (12, 22, 32, 42, 19) sammen med den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61) isolerer emulsjonen fra elektrodene (14, 11).

2. Anordning ifølge krav 1, hvor den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61) er laget av keramisk materiale.

3. Anordning ifølge krav 1, hvor den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61) er laget av glass.

4. Anordning ifølge krav 1, hvor den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61) er laget av termoplastisk materiale.

5. Anordning ifølge krav 1, hvor den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61) er montert i en boks med minst én sidevegg (11), nevnte første endevegg (12, 22, 32, 42) og nevnte andre endevegg (12).

6. Anordning ifølge krav 5, hvor boksen er laget av stål, fortrinnsvis rustfritt stål.

7. Anordning ifølge krav 1, hvor den rørformede kanal (12, 22, 32, 42) inkluderer bøssinger (24, 34, 44, 59, 69) av stål, fortrinnsvis rustfritt stål, festet til hver ende av den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61).

8. Anordning ifølge krav 7, hvor den rørformede kanal (15, 21, 31, 41, 51, 61) inkluderer første pakninger (26, 36, 46) som tilveiebringer fluidtette forbindelser mellom bøssingene og den rørformede kanal.

9. Anordning ifølge krav 8, hvor de første pakninger (26) er ekspansjonspakninger.

10. Anordning ifølge krav 8, hvor de første pakninger (36) er kompresjonspakninger.

11. Anordning ifølge krav 9 eller 10, hvor de første pakninger er laget av stål (26, 36, 46).

12. Anordning ifølge krav 8, hvor de første pakninger (46) er PFTE tetningsringer.

13. Anordning ifølge krav 7, hvor bøssingene er krympet på den rørformede kanalen.

14. Anordning ifølge krav 7, hvor bøssingene er limt på den rørformede kanal.

15. Anordning ifølge krav 14, hvor hver bøssing og/eller den rørformede kanal inkluderer en del med spor.

16. Anordning ifølge krav 7, hvor hver bøssing inkluderer en gjenget del (28) tilpasset å montere bøssingen til den første eller andre endeveggen.

17. Anordning ifølge krav 16, hvor en andre pakning (23, 33) er tilveiebrakt mellom hver bøssing og den første eller andre endeveggen.

18. Anordning ifølge krav 7, hvor hver rørformede kanal er montert til den første eller andre endeveggen ved sveising (48).

19. Anordning ifølge krav 5, hvor boksen inkluderer en transformator (18) som transformerer en lavspent forsyningsspenning til en høyspenning for å drive koalescerelementene.

20. Anordning ifølge krav 5, hvor koalescerelementene drives fra en kraftforsyning utenfor nevnte boks.

21. Anordning ifølge krav 5, hvor boksen er fylt med isolerende olje.

22. Anordning ifølge krav 1, hvor det er tilveiebrakt et lag på nevnte rørformede kanal idet nevnte lag har lav permittivitet, er elektrisk isolerende og er i stand til å motstå et sterkt elektrisk felt.

23. Anordning ifølge krav 22, hvor nevnte lag er laget av PFTE.

24. Anordning ifølge krav 5, hvor boksen er fylt med SF6.

25. Anordning ifølge krav 24, hvor boksen er trykksatt.

26. Anordning ifølge krav 21, hvor ekspansjonsbelger er installert i boksen for å utligne trykket inne i og utenfor nevnte boks.

27. Anordning ifølge krav 1, hvor den første endeveggen inkluderer en rekke av første åpninger (13) som hver er tilpasset å motta en første ende av en rørformet kanal, den andre endeveggen inkluderer en korresponderende rekke av andre åpninger (110) som hver er tilpasset å motta en andre ende av en rørformet kanal.

28. Anordning ifølge krav 1 eller 27, hvor den rørformede kanal eller kanalene er montert vesentlig horisontalt.