NO330637B1 - Emulsjonsbehandlingsanordning - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører generelt behandling av emulsjoner, mer særskilt en koalescerer for separering av emulsifisert vann og faststoffer fra olje under en langsgående strømning gjennom en horisontal tank. Mer særskilt vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte og en innretning for styring av tykkelsen til, og/eller for hovedsakelig hindring av dannelsen av, et stabilt emulsjonslag i en emulsjonsbehandlingsanordning. Oppfinnelsen gjelder for alle gass-væske-væske-tyngdekraftsepareringsinnretninger med horisontal strømning, og væske-væske-gravitasjonssepareringsinnretninger med horisontal strømning, innbefattende slike innretninger som tre-fase-separatorer, FWKO'er, varmebehandlere, behandlere, elektriske behandlere og avsaltingsinnretninger.

Det er kjent at petroleum som naturlig produseres fra en underjordisk formasjon (vanligvis betegnet som "crude), må behandles for derved å skille ut og fjerne innfanget gass, produsert vann eller faststoffer, for derved å bringe oljen til en tilstand for videre transport (eksempelvis i en rørledning) og behandling. Det har vært anvendt ulike metoder og prosesser for minimering av behandlingstiden og for å unngå et høyt energiforbruk. Det produserte vannet kan enten være formasjonsvann eller vann som har vært injisert for å fremme oljegjenvinningen, og det kan enten være ferskt eller salt (saltløsning).

Det produserte vannet og faststoffene separeres fra oljen ved hjelp av tyngdekraften. En prosess som ofte brukes er å la den produserte råoljen (crude) strømme gjennom en avlang, horisontal separasjonsbeholder (vanligvis benevnt "behandler"), hvor oljen, gass, produsert vann og faststoff separeres. I noen tilfeller er det nødvendig å forvarme råoljen før separeringen, og det legges inn da et oppvarmingsavsnitt oppstrøms for behandleren. I et slikt tilfelle vil oppvarmingsavsnittet og behandleren vanligvis være samlet i én beholder (vanligvis benevnt "varmebehandler").

Tyngdekraftseparering av olje og vann styres av Stokes lov, som sier at synkehastigheten er proporsjonal med kvadratet av vannpartikkelstørrelsen. Ved utforming av separasjonsbeholdere, brukes dette prinsippet for å fremme separasjonsprosessen i behandleren, slik at det derved (blant andre fordeler) muliggjøres bruk av mindre separasjonsbeholdere. Eksempelvis vil en dobling av den vannpartikkelstørrelsen som skal utskilles, øke synkehastigheten fire ganger, slik at det muliggjøres en 75 % reduksjon av behandlerens størrelse. Det er kjent å bruke mekaniske innretninger (så som matrisepakker) og/eller elektrostatiske gitre, separat eller i par, for å få frem slike store vannpartikler og derved fremme separasjonsprosessen og muliggjøre bruk av mindre separasjonsbeholdere.

US patent 4 329 159 "Energy Saving Heavy Crude Oil Emulsion Treating Method and Apparatus for Use Therewith", beskriver en fremgangsmåte og anordning som innbefatter en avlang, horisontal og sylindrisk tank som har innvendige skillevegger slik at det dannes rom hvor petroleum vil strømme i sekvens. Brennerfyrte innretninger inngår vanligvis i en oppstrøms plassert oppvarmingsseksjon for oppvarming av emulsjonen til en ønsket temperatur, og da vil mesteparten av den innfangede gassen og noe av det produserte vannet skilles ut fra emulsjonen. Det delvis deemulsifiserte produserte vannet strømmer så inn i et koaleseringsavsnitt, møter der en serie skjermer utformet for å fremme en jevn fluidstrømning, og for å unngå dannelsen av strømningskanaler i fluidmassen. I tillegg benyttes høypotensialelektrostatiske felt ved hjelp av gitre som legges under et høyt spenningspotensial. Gitrene befinner seg nær hver jordet skjerm, slik at det derved dannes felt mellom hvert gitter og hver jordet skjerm.

Kanadisk patent 2 329 224 "Energy-Saving Heavy Crude Oil Emulsion-Treating Apparatus", beskriver en behandler for elektrostatisk separering av emulsifisert produsert vann fra olje med langsgående strømning gjennom et horisontalt, avlangt koaleseringsavsnitt. Behandleren har et antall skjermer med hosliggende elektrostatiske vinggitre. De elektrostatiske vinggitrene er eksternt forbundet med én eller flere transformatorer, slik at det derved kan legges en høyere spenning på etterfølgende gitre i koaleseringsavsnittet. Hvert elektrostatisk vinggitter har en forside og perpendikulære sidekanter samt en perpendikulær bunnkant, slik at det elektrostatiske feltet strekkes ut forbi frontflaten, slik at derved den elektrostatiske virkningen fremmes, og det oppnås en mer effektiv fjerning av vann fra emulsjonen. Skjermene strekker seg fordelaktig ned til en vann/olje-grenseflate, for på den måten å øke koaleseringseffektiviteten i den emulsjonen som strømmer gjennom koaleseringsavsnittet, og sikre at det elektrostatiske feltet påføres emulsjonen.

US patent 6 207 032 "Electrostatic/Mechanical Emulsion Treating Method and Apparatus", beskriver en behandler for elektrostatisk og/eller mekanisk separering av emulsifisert produsert vann fra olje, under en langsgående strømning gjennom en horisontal og avlang metalltank. Det er anordnet justerbare fordelerelementer for fremming av deemulsifiseringen. De justerbare fordelerelementene kan betjenes eksternt, for derved å oppnå bedre styring av diffusjonen og en bedre fordeling av den strømmende emulsjonen i behandlerens tverrsnittsareal. Emulsjonen kan først føres gjennom elektriske felt, oppstrøms for fordelerelementene, hvor de produserte vanndråpene blir elektrisk ladet, og emulsjonen går så gjennom fordelerelementene og til elektrisk jordede koaleseringselementer. Deemulsifisert olje fjernes som en strøm atskilt fra den produserte vannstrømmen. Behandleren arbeider også mekanisk, med redusert effektivitet, når en elektrostatisk bruk ikke er mulig, og kan også brukes uten koaleseringselementer. De fra utsiden justerbare sjalusi skjermene kan brukes sammen med faste, ikke-justerbare sjalusier i mellomrom mellom de fra utsiden justerbare sjalusiene, for på den måten å oppnå en ytterligere koalesering og strømningsretning som vil fremme dehydreringen av prosesstrømmen, som en integrert forlengelseskomponent.

US 3 905 891 A beskriver et varmeelement i en separasjonstank, for nedbrytning av en stabil emulsjon.

US 5 219 471 A beskriver et apparat og en fremgangsmåte for avsalting av olje/vann-emulsjoner ved hjelp av et elektrisk felt.

US 6 315 898 og US 6 391 268 beskriver mekanisk og/eller elektrostatisk separasjon av emulgerte vannløsninger i olje.

Utstyr for behandling av oljer er utsatt for et fenomen som betegnes som et "rag-layer", noen ganger også betegnet som "cuff layer" eller "pad layer", dvs. en dannelse av en stabil olje-vann-faststoff-emulsjon. Faststoffkomponentene kan bestå av små oljefuktede faststoffer (så som leire) og presipiterte hydrokarboner med høy molekylvekt (så som asfaltener). Disse danner byggeblokker for såkalt rag. Olje-vann-faststoff-ragblandingen resulterer i en blanding som er tyngre enn olje, men som flyter på vann. Den skyldes strømningskanaldannelse (eller stagneringssoner) og termisk kjøling, primært ved prosesstart eller -avslutning. Kjølingen medfører endret viskositet, så vel som en endring i densitetene til oljen og vannet, hvilket hindrer en separering av emulsjonen i disse lokale områdene. Denne tettere emulsjonen vil fremme innfangingen av faststoffkomponentene, slik at det dannes en meget stabil olje-vann-faststoffblanding viss densitet vil fortsette å øke. I en horisontal fluidstrømning vil rag-laget migrere i retning mot utløpsenden, og vil bli tykkere og tykkere over tiden i denne ikke-strømningssonen.

Rag-lagproblemet møtes vanligvis i forbindelse med oljer som har en API-gravitasjon under ca. 30. Uttrykket "tung olje" brukes vanligvis for en olje som har en API-gravitasjon på < ca. 20. "Ekstra tung olje" brukes for olje med en API-gravitasjon < ca. 12, mens oljesand-bitumen vanligvis har en API-gravitasjon < ca. 9. Jo tyngre oljen er, desto mer stabilt vil rag-laget være etter at det er tilformet, og det vil derfor være mer vanskelig å bryte opp. Rag-lagoppbyggingen er derfor et eget problem i utstyr som brukes for behandling av tunge oljer, ekstra tunge oljer og oljesand-bitumen.

Det finnes flere prosesser for produsering av bitumen fra oljesand. En slik prosess er "SAGD" (Steam Assisted Gravity Drainage), hvor damp injiseres fra et rør over et oljesamlerør. Dampen smelter bitumenen og den går under påvirkning til det underliggende oljesamlerøret. En annen prosess er en "cyclic steam", hvor dam først injiseres i et rør, hvoretter, etter en viss tid, produsert bitumen og kondensert vann pumpes ut fra det samme røret. En tredje prosess er "THAI" (Toe to Heel Air Injection), som er en fyrprosess hvor luft injiseres i reservoaret og bitumen brennes som brensel. Varmefronten smelter bitumenen, som samles fra en separat brønn. I tillegg finnes det nye eksperimentelle systemer hvor petroleumsolventer injiseres i oljesanden med damp for på den måten å bidra til en løsing av bitumenen. Bitumen som produseres enten ved hjelp av SAGD, cyclic steam eller THAI, vil vanligvis være tilstrekkelig varmt for separering når den kommer fra reservoaret. Den kan derfor gå direkte til behandleren, og det er derfor ikke nødvendig med et eget oppvarmingsavsnitt.

Ved produksjon av bitumen, sammenlignet med konvensjonell tung olje, vil det ofte foreligge et behov for tilsetting av en diluent (lettere petroleumoljer eller nafta), slik at asfaltener vil presipitere (utfelles). I tillegg vil oljesandproduksjonen også gi en betydelig mengde fin leire. Denne fine leiren binder seg til vannet og asfaltenene, og medfører at rag-laget vil være meget vanskelig å bryte ned i forbindelse med olj esandproduksj onen.

Ved behandlingen av konvensjonelle tunge oljer (generelt betegnet som CHOP (Cold Heavy Oil Production)) vil, fordi oljen er fluid nok til å kunne strømme naturlig ut fra brønnhullet, behandlingen eller separeringen av olje-vann-faststoffene skje med bruk av fyringsutstyr eller "oppvarmingsbehandlere". Det er vanlig å trekke ut (avblåse) rag-laget til en sloptank, og så resyklere det tilbake til behandlerens innløp og varme det opp igjen med de vanlige produksjonsfluidene.

Ved bitumenproduksjon i forbindelse med oljesand, med bruk av de eksisterende termiske ekstraheringsmetodene (SAGD, Cyclic Steam, THAI), tilføres prosessvarme til reservoaret for at bitumenen skal kunne strømme. I separasjonsutstyret benyttes det ingen tilleggsprosessvarme. Behandlingen av rag-laget med konvensjonell resyklering fra en sloptank, eller med direkte resyklering fra prosessbeholderen til det varme brønnhodet eller innløpsproduksjonsfluider, har ikke vært noen suksess.

Ved bruk av SAGD for produsering av oljesandbitumen, vil asfaltener ha en tendens til å felles ut fra bitumenen og binde seg til leire som er suspendert i det produserte vannet, slik at det dannes et rag-lag. Asfaltenene/leiren har en tendens til å binde eller addere seg til interne instrumentflater som brukes for styring og kontroll av olje-vann-grenseflaten og for detektering av rag-laget. Denne oppbyggingen medfører at instrumentene blir inneffektive, hvilket medfører uspesifisert produksjon i så vel olje- som vannfasen, da rag vil bli ført over i én eller begge disse produktstrømmene.

Det foreligger derfor et behov for en fremgangsmåte og en anordning for på en effektiv måte å kunne hindre og styre dannelsen av et rag-lag.

For å møte dette behovet, foreslås det ifølge oppfinnelsen en emulsjonsbehandlingsanordning for separering av en emulsjon av emulsifiserte produserte vanndråper og olje, innbefattende en i hovedsaken horisontal og avlang beholder, som er utformet og anordnet for langsgående strømning av emulsjon gjennom den, med et emulsjonsinnløp, et oljeutløp, et vannutløp og minst ett i beholderen vertikalt anordnet koaleseringselement, kjennetegnet ved en anordning for å styre eller forhindre dannelsen av en rag-lag emulsjon, omfattende minst ett elektrostatisk element som er anordnet horisontalt i tanken, nedstrøms av det minst ene koaleseringselementet, og er elektrisk forbundet med en krafttilførsels- og styreenhet, og er anordnet slik i beholderen at det elektrostatiske elementet vil være neddykket i olje, i en avstand fra en grenseflate mellom olje og vann som dannes når anordningen er i bruk, hvilket vann danner en elektrisk jordingskomponent, slik at det induseres et elektrostatisk felt mellom det elektrostatiske elementet og vannet, og der krafttilførsels- og styreenheten omfatter en selvstyrende og kortslutningssikker omformerenhet, hvorved dannelsen av en rag-lag emulsjon i beholderen styres eller forhindres.

I en utførelsesform innbefatter det elektrostatiske elementet et i hovedsaken horisontalt elektrostatisk gitter. I en utførelsesform er det elektrostatiske elementet anordnet mellom ca. 10 og ca. 29 cm (4-12 tommer) fra grenseflaten.

I en utførelsesform innbefatter anordningen ett eller flere skjermelementer for strømningsfordeling, anordnet inne i beholderen.

Det minst ene koaleseringselementet innbefatter i en utførelsesform minst ett elektrostatisk gitterpar og minst én matrisepakke, avstandsplassert sekvensielt i beholderen i beholderens lengderetning.

I en utførelsesform innbefatter det minst ene koaleseringselementet vertikalt orienterte elektrostatiske gitterpar, avstandsplassert sekvensielt i beholderen.

I en utførelsesform innbefatter koaleseringselementet vertikalt orienterte matrisepakker, avstandsplassert sekvensielt i beholderen. En tverrgående skjerm er i en utførelsesform anordnet oppstrøms for det i det minste ene koaleseringselementet.

I en utførelsesform er minst ett oppvarmingselement anordnet inne i beholderen ved eller nær grenseflaten, slik at derved temperaturen ved eller nær grenseflaten kan økes på styrt måte til et nivå over temperaturen i den omgivende emulsjonen, oljen og vannet. Oppvarmingselementet kan innbefatte minst én komponent valgt blant en varmevikling, et glatt eller med finner forsynt rør hvorigjennom et høytemperaturoppvarmingsfluid fra en ekstern kilde sirkulerer. Anordningen omfatter i en utførelsesform en oppvarmingsfluidresykleringsledning for føring av vann separert fra emulsjonen og til oppvarmingselementet, hvor det sirkuleres som et høytemperaturoppvarmingsfluid.

Oppvarmingselementet innbefatter i en utførelsesform et elektrisk drevet oppvarmingselement og er fortrinnsvis anordnet nedstrøms for det i det minste ene koaleseringselementet.

Det er også frebrakt en fremgangsmåte for styring eller forhindring av dannelsen av en rag-lag emulsjon som dannes i eller nær en grenseflate mellom olje og vann i en emulsjonsbehandlingsanordning for separering av en emulsjon av emulsifiserte produserte vanndråper og olje, hvilken behandlingsanordning innbefatter en i hovedsaken horisontal og avlang beholder, utformet og anordnet for langsgående strømning av emulsjon gjennom den, og videre innbefattende et emulsjonsinnløp, et oljeutløp, et vannutløp og minst ett koaleseringselement vertikalt anordnet inne i beholderen, hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved generering av et elektrostatisk felt i beholderen, nedstrøms for det i det minste ene koaleseringselementet, og mellom en posisjon i oljen og grenseflaten og rag-lag emulsjonen, og elektrisk jording av grenseflaten og rag-lag emulsjonen, slik at det derved induseres et elektrisk felt gjennom rag-lag emulsjonen, hvorved en koalesering i rag-lag emulsjonen fremmes.

I en utførelsesform innbefatter fremgangsmåten justering av det elektrostatiske feltet og justering av den nevnte avstanden. Avstanden justeres i en utførelsesform til mellom ca. 10 og ca. 29 cm (4-12 tommer).

I en utførelsesform innbefatter fremgangsmåten oppvarming av området innbefattende grenseflaten og rag-lag emulsjonen til en temperatur som er høyere enn den omgivende emulsjonens, eksempelvis ca. 5°C høyere enn i den omgivende emulsjonen.

I en utførelsesform gjennomføres oppvarmingen i et område i beholderen nedstrøms for det i det minste ene koaleseringselementet.

Disse og andre kjennetegn ved oppfinnelsen vil gå frem av den etterfølgende beskrivelse av eksempler av oppfinnelsen, under henvisning til tegningen, hvor: Fig. 1 og 2 er skjematiske snitt gjennom koaleseringsavsnittet i respektive horisontale tank-oljebehandlere i form av avlange gass-væske-væske-separasjonsinnretninger med horisontal strømning, som eksempel på en utførelse av oppfinnelsen, Fig. 3 er et skjematisk snitt gjennom koaleseringsavsnittet i en horisontal tank-oljebehandler i form av en avlang gass-væske-væske-separasjonsinnretning med horisontal strømning, idet det her vises en andre utførelse av oppfinnelsen, Fig. 4 er et skjematisk snitt gjennom koaleseringsavsnittet i en horisontal tank-oljebehandler i form av en avlang gass-væske-væske-separasjonsinnretning med horisontal strømning, idet denne figuren viser en tredje utførelse av oppfinnelsen, og Fig. 5 er et skjematisk snitt gjennom koaliseringsavsnittet i en horisontal tank-oljebehandler i form av en avlang gass-væske-væske-separasjonsinnretning med horisontal strømning, idet denne figuren viser en fjerde utførelse av oppfinnelsen, Fig. 6 og 7 viser skjematiske snitt gjennom koaleseringsavsnittet i respektive horisontale tank-oljebehandlere i form av avlange gass-væske-væske-separasjonsinnretninger med horisontal strømning, idet disse figurene viser utførelser som de i fig. 2 henholdsvis 3, i en prosessituasjon hvor densiteten til bitumen er større enn densiteten til det produserte vannet. Fig. 1 viser en horisontal og avlang behandlingsbeholder 10, med et innløp 12 hvorigjennom crude (emulsjon) som skal separeres føres inn, et oljeutløp 22, et vannutløp 24, et gassutløp 20, et overløp 19 som danner en oppstrøms sanddam, og en tverrgående skjerm 15."Crude" skal her være ment å innbefatte en emulsjon av emulsifiserte produserte vanndråper, faststoffer og semi-faststoffer og olje, heretter betegnet som en emulsjon E. En tverrgående skjerm 15 og et antall diffusjonsskj ermer 14 er plassert med innbyrdes avstander i behandlingsbeholderen 10. Det foreligger et behov for etablering av en jevn pluggstrøm gjennom behandleren. Enhver hastighetskanaldannelse, som medfører ulik kjøling av emulsjonen, er uønsket. Den tverrgående skjermen 15 representerer således en

innledende strømningsfordelingsinnretning (eller masseseparasjonsinnretning) hvor vannet W tvinges ned under skjermen, mens innløpsemulsjonen E føres gjennom en fordelingskanal i tverr skjermen, sentralt i oljeemulsjonslaget. Diffusjonsskj ermene 14 tjener et lignende formål, dvs. tilveiebringelse av en jevn strømfordeling og

således hindre strømningskanaldannelser.

Fig. 1 viser også et antall matrisepakker 18. Disse er mekaniske koaleseringsinnretninger som beskrevet innledningsvis, og de er velkjente. Selv om fig. 1 viser et antall matrisepakker, så vil fagpersoner forstå at én matrisepakke vil kunne være tilstrekkelig, alt avhengig av den spesifikke crude-anvendelsen.

Når behandlingsbeholderen 10 er i bruk, går emulsjonen E inn i behandlingsbeholderen 10 gjennom innløpet 12. Emulsjonen kan være forvarmet, enten som følge av den fremgangsmåten som er benyttet for ekstraheringen fra reservoaret (eksempelvis SAGD, som beskrevet foran) eller i en oppvarmingsseksjon som er plassert oppstrøms for behandlingsbeholderen. I sistnevnte tilfelle vil oppvarmingsseksjonen og behandlingsseksjonen vanligvis være integrert i én beholder, og bli betegnet i fellesskap som en "oppvarmingsbehandler", og emulsjonen strømmer inn i oppvarmingsseksjonen fra den oppstrøms plasserte oppvarmingsseksjonen.

Når emulsjonen strømmer gjennom matrisepakkene 18, separeres vann W fra emulsjonen som følge av tyngdekraftens innvirkning, som forklart foran. Det separerte vannet W går ut fra beholderen 10 via vannutløpet 24. Enhver gass G som frigjøres fra emulsjonen, går ut fra beholderen via gassutløpet 20, og den behandlede oljen strømmer ut fra beholderen gjennom oljeutløpet 22.

For å kunne påvirke tykkelsen til den stabile emulsjonen (dvs. rag-laget) R som har en tendens til å bygge seg opp i olj e/vann-grensefl aten som forklart foran, har beholderen 10 også et elektrostatisk gitter 26. Dette er et element som er anordnet inne i beholderen 10 slik at det er neddykket i oljen, og har en avstand fra olje/vann-grenseflaten I som dannes når beholderen er i vanlig bruk. Det elektrostatiske gitteret er opplagret slik at det går i hovedsaken parallelt med grenseflaten I. Under vanlige driftsbetingelser vil således det elektrostatiske gitteret være i hovedsaken horisontalt, og strekke seg i beholderens horisontalplan. Det elektrostatiske gitteret 26 er elektrisk forbundet med en krafttilførsels- og styreenhet 42, og vannet W, og enhver stabil emulsjon (rag-lag) R, vil danne en elektrisk jordingskomponent, slik at det derved induseres et elektrostatisk felt gjennom laget R og det foregår en elektrostatisk koalesering i laget R. Det er dette (intense) elektriske feltet mellom høyvoltgitteret 26 og jord som tilveiebringer koaleseringen av den stabile emulsjonen R.

Dersom laget R øker i tykkelse, så vil avstanden mellom det elektrostatiske gitteret 26 og laget R (elektrisk jord) avta, hvilket medfører en økt elektrostatisk koalesering i laget R. Laget R kan således holdes på en ønsket minstetykkelse ved å påvirke det elektrostatiske feltet, avstanden mellom det elektrostatiske gitteret og grenseflaten I, eller begge deler. Det elektrostatiske gitteret 26 må posisjoneres i den relativt ikke-ledende oljefasen og i en avstand fra grenseflaten I og laget R som vil være tilstrekkelig til å unngå en kortslutning. Fordelaktig er den elektrostatiske gitteravstanden fra grenseflaten I mellom 10 og 29 cm (4 og 12 tommer). Fagpersonen vil vite at denne avstanden bestemmes av den spenningen som leges på det elektrostatiske gitteret. Som indikert i fig. 1, er det elektrostatiske gitteret fordelaktig plassert i området ved beholderens nedstrømsende (altså nedstrøms for matrisepakkene), hvor rag-lagdannelsen vil være tykkest.

En fagperson vil vite at en prosessforstyrrelse kan løfte emulsjonslaget opp inn i gitrene 26, og derved tilveiebringe en kortslutning av krafttilførselen. I et vanlig krafttilførselssystem for de konvensjonelle elektrostatiske gitrene, et system som består av en konvensjonell transformator 17 (beskrevet nedenfor under henvisning til fig. 2), vil dette bety et behov for strømovervåkingsinnretninger for stenging av krafttilførselen når det detekteres et høyt strømforbruk. En ultimat beskyttelse i tilfelle av en svikt i overvåkingsinnretningene tilveiebringes av kraftbryteren til transformatoren, og av utformingen av selve transformatoren slik at den kan tåle en kortslutning. Dette krever at transformatoren er av en 100 % reaktiv type. Med dette konvensjonelle styresystemet må kraftbryteren innstilles manuelt igjen, så snart forstyrrelsen er avklart, hvilket betyr ekstra stopptid i prosessen.

Krafttilførsels- og styreenheten 42 som skal levere kraft til rag-lag-behandlingsgitrene 26, er imidlertid en dynamisk magnetisk styrbar transformatorenhet som er kortslutningssikker. Dette er et system som beskrives i US 6 933 822 og 7 193 495 (grunnleggende MCI-teknologi); US 7 026 905 B2 og 7 256 678 (forbedret MCI-teknologi); NO 322 439 (MCT-krafttilførsel); og i patentsøknad US 2005/076293 Al. Dette systemet baserer seg på det prinsippet at et ortogonalt magnetfelt kan påvirke den relative permeabiliteten i et magnetisk materiale så som viklingen i en transformator, og derved kan styre energien (strømmen) som overføres til sekundærsiden eller utgangssiden.

Ved å styre den relative (elektriske) permeabiliteten i den ortogonale retningen i transformatorviklingsmaterialet, kan man styre mengden av fluks i rulleretningen. Da det magnetiske domenet i et magnetiserbart materiale bare kan magnetiseres i én retning, kan domenene med ortogonal magnetisering (tverretning) ikke magnetiseres i rulleretningen, og derved reduseres den relative permeabiliteten i rulleretningen. Dette betyr at mer strøm kan gå gjennom hovedviklingen når den relative permeabiliteten reduseres. En endring eller justering av det ortogonale magnetiske feltet vil medføre en styring av transformatorviklingen som en lineær elektrisk ventil.

Dette ortogonale magnetfeltet styres ved å overvåke den strømmen som går gjennom hovedviklingen. Dersom strømmen øker som følge av en meget rask belastning, så som i tilfelle av en elektrisk kortslutning på utgangssiden, vil drivspenningen i det tverrgående feltet falle sammen helt til kortslutningen er fjernet. Kortslutningen vil bli borte når spenningen faller sammen. Det betyr at innretningen er selvstyrende som følge av den patenterte utformingen. Responsen på en kortslutning er så godt som momentan, da den baserer seg på utformingen og fysikken i kjernen, og den relative permeabiliteten i kjernematerialet blir på dette tidspunktet styrt av det tverrgående magnetfeltet. Innretningen måler derfor ikke strømmen ved hjelp av et eksternt styresystem og styresløyfe, men styrer helt enkelt den utgående spenningen som vil være nødvendig i en normal operasjonstilstand.

Fig. 2 viser en utførelse som i fig. 1, men her er matrisepakkene 18 suplementert med et antall konvensjonelle elektrostatiske gitterpar 16 (en fagperson vil imidlertid vite at det også bare kan brukes et enkelt eller et enkelt gitterpar, avhengig av den spesifikke crude-oljen). Fagpersoner vil vite at de elektrostatiske gitterparene 16 vil fremme en separering som følge av elektrostatisk koalesering, idet ett gitter energiseres og styres eksempelvis ved hjelp av transformatorgitteret 17, mens det andre gitteret er elektrisk jordet. En koalesering skjer mellom de to gitrene i hvert gitterpar 16. Som i fig. 1, innbefatter beholderen også et elektrostatisk gitter 26 i beholderen 10, neddykket i oljen, og i en avstand fra den olje/vann-grenseflaten I som oppstår når beholderen er i vanlig drift. Andre aspekter ved det elektrostatiske gitteret er beskrevet ovenfor i forbindelse med fig. 1.

Selv om de skjematiske figurene, for på enkel måte å belyse oppfinnelsen, viser transformatorgittersettene 17 og krafttilførsels- og styreenheten 42 montert på toppen av beholderne, med kablene ført ned til gitterparene 16 henholdsvis til det elektrostatiske gitteret 16, så vil en fagperson forstå at i en praktisk utførelse blir transformatorgittersettene 17 og krafttilførsels- og styreenheten 42 montert slik at deres respektive høyspente elektriske kabler er neddykket i oljen og ikke går gjennom gassfasen G.

Fig. 2 er i andre henseender lik utførelsen i fig. 1. Oppfinnelsen er således ikke begrenset til bruk av konvensjonelle koaleseringsmidler, dvs. matrisepakker og/eller elektrostatiske gitterpar, men kan generelt anvendes i alle

tyngdekraftsepareringsenheter av væske-væske-typen og med horisontal strømning, og som brukes for emulsjonsbehandling, og oppfinnelsen innbefatter således også innretninger så som 3-fase-separatorer, FWKO'er, oppvarmingsbehandlere, behandlere, elektriske behandlere og avsaltingsinnretninger.

Fig. 3 viser en andre utførelse av oppfinnelsen. Som i fig. 2, er matrisepakkene 18 suplementert med et konvensjonelt elektrostatisk gitterpar 16. Bare de trekk som skiller seg fra de i fig. 2 vil bli beskrevet nedenfor i forbindelse med fig. 3.1 denne andre utførelsen, som er vist i fig. 3, oppnås rag-lagpåvirkningen ikke ved hjelp av et horisontalt elektrostatisk gitter, men ved hjelp av et oppvarmingselement 28 som er anordnet inne i beholderen 10, ved eller nær olje/vann-grenseflaten 1. Oppvarmingselementet 28 kan være en varmevikling, et glatt eller med finner forsynt rør, eller en lignende varmeveksler som er tilknyttet en varmekilde (ikke vist i fig. 3) i en lukket krets, på konvensjonell måte. Varmefluidet kan være eksternt tilført damp, olje, glykol eller lignende.

Istedenfor en separat varmekilde kan separert vann W også brukes som oppvarmingsfluid. En slik utførelse er vist i fig. 4, som skjematisk viser en resykleringsledning 24a som fører separert vann til oppvarmingselementet 28. For øvrig er utførelsen i fig. 4 lik den som er vist i fig. 3. Nødvendige pumper og ventiler, etc. er utelatt i fig. 4, for å forenkle illustrasjonen, og disse trekk er selvfølgelig for fagpersoner. Oppvarmingselementet 28 kan også varmes opp ved hjelp av andre midler, så som en elektrisk drevet oppvarmer eller lignende.

Med oppvarmingselementet 28, vist i fig. 3 og 4, blir en varmemengde tilført rag-laget R-utviklingssonen, og vil derved i hovedsaken hindre at det dannes et rag-lag. Det er bare nødvendig med en liten temperaturforskjell for å oppnå dette. I én utførelse ligger temperaturforskjellen mellom oppvarmingselementet 28 og laget R i størrelsesordenen 5°C. Oppvarmingselementet 28 kan være dimensjonert både i horisontal- og vertikalplanet, slik at det strekker seg inn i et egnet område i eller nær grenseflaten I.

Fig. 5 viser en utførelse av oppfinnelsen som i hovedsaken kombinerer den første utførelsen (vist i fig. 2) og den andre eller tredje utførelsen (vist i fig. 3 eller 4), idet beholderen 10 innbefatter det horisontale elektrostatiske gitteret 26, og oppvarmingselementet 28 i et kombinert arrangement. For øvrig er komponentene i fig. 5 lik de som er beskrevet foran i forbindelse med fig. 1-4.1 denne utførelsen brukes den samme avstandsstyring og elektrisk feltstyring for det elektrostatiske gitteret 26 som beskrevet i forbindelse med fig. 1 og 2, og det samme gjelder for oppvarmingsmidlene og kildene for oppvarmingselementet 28 som beskrevet i forbindelse med fig. 3 og 4. Oppvarmingselementet 28 og det elektrostatiske gitteret 26 vil begge bidra til å bryte ned rag-laget R, og de to komponentene kan virke på en måte som vil gi optimal styring og fjerning av den stabile emulsjonen R, idet dog en slik operasjon vil være avhengig av den aktuelle prosessituasjonen.

I noen produksjonssituasjoner blir bitumenproduksjonen prosessert uten tilsetting av en diluent. Avhengig av hvor tung bitumen er (dvs. hvor liten API-gravitasjonen er) og avhengig av produksjons- eller prosesstemperaturene, kan densiteten til bitumenen være høyere enn for det produserte vannet. I et slikt tilfelle vil fluidseparasjonen skje omvendt, sammenlignet med det som er beskrevet foran. Selv om en diluent ikke tilsettes, da prosesstemperaturene for ikke-dilutert bitumen er meget høyere enn for dilutert bitumen, vil asfaltener fremdeles felles ut. Selv om det således dreier seg om en omvendt prosessituasjon, foreligger det et behov for en fremgangsmåte og en anordning som på en effektiv måte kan hindre og styre dannelsen av et rag-lag.

Fig. 6 og 7 viser en slik omvendt prosess. Fig. 6 viser den første utførelsen i en omvendt situasjon, mens fig. 7 viser den andre utførelsen i en omvendt situasjon. Selv i denne omvendte situasjonen har den horisontale og avlange behandlingsbeholderen 10 et innløp 12 hvorigjennom crude (emulsjon) som skal separeres føres inn. Videre har beholderen et oljeutløp 22, et vannutløp 24, et gassutløp 20, et overløp 19 som danner en oppstrøms sanddam, og en tverrskjerm 15, slik det er beskrevet foran i forbindelse med fig. 1 og 2.

Beholderen 10 i fig. 6 har derfor også et elektrostatisk gitter 26, som er båret og styres inne i beholderen 10 på en slik måte at det vil være neddykket i oljen i en avstand fra olje/vann-grenseflaten I som danner seg når beholderen er i normal drift, for øvrig som forklart i forbindelse med fig. 1 og 2.

Beholderen i fig. 7 har derfor også et oppvarmingselement 28 anordnet inne i beholderen 10, ved eller nær olje/vann-grenseflaten I. Oppvarmingselementet 28 kan være en varmevikling, et glatt rør, eller et med finner forsynt rør eller en lignende varmeveksler som er forbundet med en oppvarmingskilde, slik det er beskrevet nærmere foran i forbindelse med fig. 3 og 4.

Fagpersoner vil derfor forstå at oppfinnelsen kan brukes for begge de prosessituasjonene som er beskrevet foran.

Selv om oppfinnelsen her er beskrevet i forbindelse med en behandlingsbeholder hvor det benyttes konvensjonelle koaleseringsmidler, dvs. matrisepakker og/eller elektrostatiske gitterpar, vil fagpersonen forstå at oppfinnelsen kan anvendes i samme utstrekning for alle væske-væske-gravitet-separasjonsinnretninger med horisontal strømning, og som brukes for behandling av emulsjoner, herunder slike innretninger som 3-fase-separatorer, FWKO'er, oppvarmingsbehandlere, behandlere, elektriske behandlere og avsaltingsinnretninger.

En fagperson vil også forstå at selv om oppfinnelsen er særlig godt anvendbar ved behandling av ekstra tung olje og bitumen, kan oppfinnelsen også brukes med fordel ved behandling av andre olje/vann-emulsjoner, herunder også konvensjonell tung olje.

Claims (19)

1. Emulsjonsbehandlingsanordning for separering av en emulsjon av emulsifiserte produserte vanndråper og olje, innbefattende en i hovedsaken horisontal og avlang beholder (10), som er utformet og anordnet for langsgående strømning av emulsjon gjennom den, med et emulsjonsinnløp (12), et oljeutløp (22), et vannutløp (24) og minst ett i beholderen vertikalt anordnet koaleseringselement (16, 18), karakterisert veden anordning for å styre eller forhindre dannelsen av en rag-lag emulsjon, omfattende minst ett elektrostatisk element (26) som er anordnet horisontalt i tanken, nedstrøms av det minst ene koaleseringselementet, og er elektrisk forbundet med en krafttilførsels- og styreenhet (42), og er anordnet slik i beholderen (10) at det elektrostatiske elementet (26) vil være neddykket i olje, i en avstand fra en grenseflate (1) mellom olje og vann som dannes når anordningen er i bruk, hvilket vann (W) danner en elektrisk jordingskomponent, slik at det induseres et elektrostatisk felt mellom det elektrostatiske elementet (26) og vannet (W), og der krafttilførsels- og styreenheten (42) omfatter en selvstyrende og kortslutningssikker omformerenhet, hvorved dannelsen av en rag-lag emulsjon i beholderen (10) styres eller forhindres.

2. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge krav 1, karakterisert vedat det elektrostatiske elementet (26) innbefatter et i hovedsaken horisontalt elektrostatisk gitter.

3. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge et av kravene 1-2,karakterisert vedat det elektrostatiske elementet (26) er anordnet mellom ca. 10 og ca. 29 cm (4-12 tommer) fra grenseflaten (I).

4. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge et av kravene 1-3,karakterisert vedat den videre innbefatter ett eller flere skjermelementer (14, 15) for strømningsfordeling og anordnet inne i beholderen.

5. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge et av kravene 1-4,karakterisert vedat det i det minste ene koaleseringselementet (16, 18) innbefatter minst ett elektrostatisk gitterpar (16) og minst én matrisepakke (18), avstandsplassert sekvensielt i beholderen i beholderens lengderetning.

6. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge et av kravene 1-4,karakterisert vedat det i det minste ene koaleseringselementet innbefatter vertikalt orienterte elektrostatiske gitterpar (10), avstandsplassert sekvensielt i beholderen.

7. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge et av kravene 1-4,karakterisert vedat det i det minste ene koaleseringselementet (18) innbefatter vertikalt orienterte matrisepakker (18), avstandsplassert sekvensielt i beholderen.

8. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge et av kravene 1-7,karakterisert veden tverrgående skjerm (15), anordnet oppstrøms for det i det minste ene koaleseringselementet (16, 18).

9. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge ett av de foregående kravene, kara kterisert ved minst ett oppvarmingselement (28) anordnet inne i beholderen ved eller nær grenseflaten (I), slik at derved temperaturen ved eller nær grenseflaten (I) kan økes på styrt måte til et nivå over temperaturen i den omgivende emulsjonen, oljen og vannet.

10. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge krav 9, karakterisert vedat oppvarmingselementet (28) innbefatter minst én komponent valgt blant en varmevikling, et glatt eller med finner forsynt rør hvorigjennom et høytemperaturoppvarmingsfluid fra en ekstern kilde sirkulerer.

11. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge krav 10, karakterisert veden oppvarmingsfluidresykleringsledning (24a) for føring av vann (W) separert fra emulsjonen og til oppvarmingselementet (28), hvor det sirkuleres som et høytemperaturoppvarmingsfluid.

12. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge krav 9, karakterisert vedat oppvarmingselementet (28) innbefatter et elektrisk drevet oppvarmingselement.

13. Emulsjonsbehandlingsanordning ifølge et av kravene 9-13,karakterisert vedat oppvarmingselementet (28) er anordnet nedstrøms for det i det minste ene koaleseringselementet (16, 18).

14. Fremgangsmåte for styring eller forhindring av dannelsen av en rag-lag emulsjon (R) som dannes i eller nær en grenseflate (I) mellom olje og vann (W) i en emulsjonsbehandlingsanordning for separering av en emulsjon av emulsifiserte produserte vanndråper og olje, hvilken behandlingsanordning innbefatter en i hovedsaken horisontal og avlang beholder (10), utformet og anordnet for langsgående strømning av emulsjon gjennom den, og videre innbefattende et emulsjonsinnløp (12), et oljeutløp (22), et vannutløp (24) og minst ett koaleseringselement (16, 18) vertikalt anordnet inne i beholderen (10), hvilken fremgangsmåte erkarakterisert ved generering av et elektrostatisk felt i beholderen (10), nedstrøms for det i det minste ene koaleseringselementet (16, 18), og mellom en posisjon i oljen og grenseflaten (I) og rag-lag emulsjonen (R), og elektrisk jording av grenseflaten (I) og rag-lag emulsjonen (R), slik at det derved induseres et elektrisk felt gjennom rag-lag emulsjonen (R), hvorved en koalesering i rag-lag emulsjonen fremmes.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 14, karakterisert vedjustering av det elektrostatiske feltet og justering av den nevnte avstanden.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 15, karakterisert vedat avstanden justeres til mellom ca. 10 og ca. 29 cm (4-12 tommer).

17. Fremgangsmåte ifølge ett hvilket som helst av kravene 14-16, kjennetegnet ved oppvarming av området innbefattende grenseflaten (I) og rag-lag emulsjonen (R) til en temperatur som er høyere enn den omgivende emulsjonens.

18. Fremgangsmåte ifølge krav 17, karakterisert vedat den nevnte temperaturen er ca. 5°C høyere enn i den omgivende emulsjonen.

19. Fremgangsmåte ifølge krav 17 eller 18, karakterisert vedat oppvarmingen gjennomføres i et område i beholderen (10) nedstrøms for det i det minste ene koaleseringselementet (16, 18).