NO336032B1 - Syklonseparator og framgangsmåte for petroleumsproduksjon - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder generelt en syklonisk flytseparator for separasjon av ikke-blandbare komponenter av forskjellige tettheter som danner et fluid-medium.

Bakgrunn

En ikke-eksklusiv anvendelse av en slik separator ligger i produksjon av petroleum. I denne anvendelsen, av spesiell interesse for investorene, og uten at dette betraktes som begrensende, er separatoren for eksempel plassert i en oljebrønn. Den mottar fluid som omfatter vann og olje som kommer fra et produksjonsreservoar, og derfra trekker den ut olje som har et redusert vanninnhold. Vannet som er separert fra den ekstraherte oljen reinjiseres på et nivå i reservoaret, muligens et nivå forskjellig fra det til produksjonsreservoaret, uten noe behov for separerering eller prosesserering i en overflateinstallasjon. En variant er å separere fluidene i brønnen og å heve begge av dem til overflaten.

En separator ifølge oppfinnelsen kan brukes i en mangfoldighet av andre kjente anvendelser for apparater av denne typen, for eksempel å avstøve gass.

Sykloniske flytbetingelser i et kammer for separasjon av komponenter i et fluid er spesielt effektive for å separere komponentene ved vekt. Ved utgangen fra det sykloniske flytseparasjonskammeret, er de tyngre komponentene gjenvunnet fra en radial posisjon som er lengre ut fra senteret enn de lettere komponentene. I en ideell syklonisk strøm, øker den tangentielle hastigheten til partiklene i fluidmediet i anvendelse av et hyperbolsk forhold som pågår fra periferien til kammeret til en radius hvor det når en maksimumsverdi, og så avtar mellom nevnte radius og senteret av kammeret i anvendelse av et lineært forhold. Spesielt er det null i senteret til separatorkammeret. I den hyperbolske sonen utsetter dette partiklene i fluidmediet for radiale akselerasjoner som er invers proporsjonale med kvadratet av radien.

Dokumentet FR-A-2 592 324 beskriver en separator for heterogene væsker, separatoren har et sylindrisk separatorkammer og et aksialt løpehjul som roterer sammen rundt sin felles akse. Løpehjulet har en kjerne rundt hvilken ledekanaler bringer et fluidmedium inn i kammeret for å generere en syklonisk flyt deri. Sammenlignet med statiske separatorer har slike rotasjonsseparatorer fordelen av å redusere friksjon på grunn av forskjeller i hastighet mellom veggene i kammeret og det injiserte mediet, hvilken friksjon kan forstyrre de sykloniske betingelser.

I praksis er sykloniske flytbetingelser vanskelige å oppnå over lengden av kammeret.

US patentskrift 3,415,383 Beskriver en separator for fjerning av mer kompakt materiale fra strømmende fluid, særlig for fjerning av olje fra avluft fra smøresystemer for gassturbiner.

US patentskrift 3,887,342 beskriver en væske/gass-separator med høy væskestrømningshastighet. Separatoren oppviser en innløpsplugg og en utløpsplugg som samvirker med et skovl hjul. Innløps- og resirkuleringsåpninger er arrangert for å øke væskestrømningsraten.

Formål

Et formål med den foreliggende oppfinnelsen er å forbedre rotasjonstype sykloniske flytseparatorer. Det er ønsket spesielt å forbedre separasjonskraften ved å oppnå god styring over sykloniske betingelser.

Oppfinnelsen

Dette formålet oppnås med en separator ifølge den karakteriserende del av patentkrav 1 og en framgangsmåte for produksjon av petroleum ifølge den karakteriserende del av patentkrav 7. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de tilhørende uselvstendige kravene.

En syklonisk flytseparator omfatter i en utførelse et sylindrisk separatorkammer på den samme akse som et løpehjul, med begge av dem drevet i rotasjon. Løpehjulet består av en kjerne, en inngang for mottak av en vesentlig aksial flyt av fluid, en utgang for injisering av fluid inn i separatorkammeret, og et flertall ledekanaler dannet mellom inngangen og utgangen til løpehjulet ved omkretsen av kjernen. Kjernen har en del av diameteren vesentlig større eller lik den indre diameter av separatorkammeret. I denne delen er ledekanalene vesentlig rettlinjet og parallelle med aksen av separatorkammeret, og så strekker de seg på en vesentlig rettlinjet måte så langt som utgangen fra løpehjulet. Utgangen av løpehjulet er vesentlig sylindrisk i form og med diameter vesentlig lik den indre diameteren av separatorkammeret.

Disse arrangementene kommer nær de ideelle betingelser hvor distribusjonen av tangentielle hastigheter i fluidet innenfor enheten samsvarer med det teoretiske hyperbolske forholdet som en funksjon av radial posisjon. Flyten i separatorkammeret er dermed under ekte sykloniske betingelser eller veldig nær dette. Følgelig er ytelsen til separatoren forbedret.

I utførelsene av separatoren kan man valgfritt også ty til en eller flere av de følgende disposisjoner: -Ledekanalene er vesentlig skrueformede ved siden av inngangen til løpehjulet, for å bringe fluidet progressivt i rotasjon med separatorkammeret og løpehjulet; -Den nevnte delen av kjernen har en diameter vesentlig lik den indre diameteren av separasjonskammeret;

- Ledekanalene er videre delt fra den nevnte delen av kjernen mot utgangen av løpehjulet; og

- Ledekanalene er større enn ti i antall, og typisk ikke mindre enn tjue, ved utgangen fra løpehjulet.

-Et annet aspekt av oppfinnelsen gjelder en framgangsmåte for produksjon av petroleum, framgangsmåten omfatter følgende steg: -Plasser i det minste en komponentseparator i en oljeinstallasjon, separatoren omfatter et sylindrisk separatorkammer og et løpehjul på en felles akse, løpehjulet omfatter en kjerne, en inngang motsatt fra separatorkammeret, en utgang rettet mot separatorkammeret, og et flertall ledekanaler dannet mellom inngangen og utgangen på løpehjulet ved omkretsen til kjernen, kjernen av løpehjulet har en del av diameteren vesentlig større eller lik den indre diameteren av separatorkammeret, i hvilken del ledekanalene er vesentlig rettlinjede og parallelle med aksen på separatorkammeret, de vesentlig rettlinjede ledekanalene strekker seg fra nevnte del til utgangen av løpehjulet, utgangen fra løpehjulet er vesentlig sylindrisk i form og av en diameter vesentlig lik den indre diameteren av separatorkammeret, og separatorkammeret har i det minste første og andre konsentriske utganger ved dets ende motsatt fra løpehjulet; - Drive separatorkammeret og løpehjulet til å rotere rundt sin akse; - Levere en vesentlig aksial flyt av et fluid som inkluderer olje og vann til inngangen av løpehjulet;

-Samle vannet fra den første utgangen av separatorkammeret; og

-Trekke ut petroleum med et redusert restvanninnhold fra den andre utgangen av separatorkammeret, den andre utgangen er nærmere aksen til separatorkammeret enn den første utgangen.

Andre karakteristikker og fordeler ved oppfinnelsen framgår fra den følgende beskrivelsen av en utførelse derav, gitt som et ikke-begrensende eksempel, og med henvisning til de vedlagte tegninger. I tegningene er: - Fig. 1 et teoretisk diagram av et langsgående snitt som viser en separator for å separere komponenter av et fluidmedium; - Fig. 2 et forstørret bilde som viser nedstrømsdelen av separatorkammeret til separatoren i Fig. 1; - Fig. 3 et bilde i større skala av løpehjulet til en separator av typen ifølge oppfinnelsen; - Fig. 4 en snittegning ved referanselinjen IV- IV i Fig. 3; - Fig. 5 en snittegning ved referanselinjen V - V i Fig. 3; - Fig. 6 et sidebilde av løpehjulet til separatoren uten å vise noen andre elementer av separatoren i Fig. 1; og

- Fig. 7 et bilde i større skala av en annen utførelse av løpehjulet til separatoren ifølge oppfinnelsen.

Fig. 1 er et generelt bilde i aksialsnitt av en utførelse av en syklonisk flytseparator. Dette eksemplet på en separator 1 omfatter et stasjonært ytre hylster 5 av generelt sylindrisk form rundt en akse 6, som har en inngang E for et fluidmedium som skal separeres, en første fluidutgang Sl og en andre fluidutgang S2. På innsiden av hylsteret 5 er et sylindrisk separatorkammer 3 og et koaksialt løpehjul 2 er montert koaksialt på innsiden av hylsteret 5 og dreibart forbundet rundt aksen 6.

Kammeret 3 og løpehjulet 2 tilhører en sammensetning 11 som er dreibart montert på innsiden av det ytre hylsteret 5 i opplagringer 12. Antallet og posisjonen til lagringene kan være forskjellig fra det som er vist i

Fig. 1. Dynamiske tetninger 13 tilveiebringer tetning imellom den bevegelige sammensetningen 11 og det stasjonære ytre hylsteret 5.1 utførelsen i Fig. 1 roteres den bevegelige sammensetningen 11 ved en drivreim 14 som selv er drevet av en motor 4.

Inngangen E i en oppstrøms ende på separatoren 1 mates via en aksial kobling 10 med en flyt under trykk av et fluidmedium som skal separeres, slik som en vann/olje-emulsjon.

Den første utgangen Sl er implementert i denne utførelsen ved en sideveis kobling 8 på det ytre hylsteret 5 av separatoren 1. Denne første utgangen Sl tjener til å levere en første komponent av det fluidet som er av relativt høy densitet, som plukkes opp ved utgangen av separatorkammeret 3, det vil si ved sin ende fjernt fra løpehjulet 2, ved en avstand fra aksen 6. Den andre utgangen S2 i denne utførelsen er implementert ved et rør 7 sentrert på aksen 6 og som kommuniserer med innsiden av separatorkammeret 3. Denne andre utgangen S2 gjør det mulig å levere en andre fluidkomponent som er av en densitet lavere enn den for den første komponenten.

I anvendelsen for å produsere petroleum er den første fluidkomponenten vann (som har et restoljeinnhold som er mye lavere enn oljeinnholdet i emulsjonen som tilføres via inngangen E), og den andre fluidkomponenten er olje (som har et restvanninnhold som er mye lavere enn vanninnholdet i emulsjonen som tilføres via inngangen E).

Etter inngangen E trenger fluidmediet (vann-olje) seg inn i oppstrømsenden av den bevegelige sammensetningen 11, beveger seg inn i et oppstrøms kammer 15, passerer gjennom løpehjulet 2 som transformerer bevegelsen i omforming av fluidet til en rotasjonsbevegelse rundt aksen 6 med en rotasjonshastighet som er identisk med den til sammensetningen 11, og blir injiseres i omkretsen av separatorkammeret 3 med en tangentiell hastighet vesentlig lik den til veggen til kammeret 3.

Med denne typen av inngang inn i separatorkammeret 3, varierer den tangentielle hastigheten til fluidet i kammeret 3 på en måte som er vesentlig invers proporsjonal med radius, den øker svært sterkt når man nærmer seg sentrum, det vil si aksen 6. Dette leder til akselerasjoner som er gunstige for å separere fluidet, og spesielt for å konsentrere den andre fluidkomponenten med mindre densitet enn den første fluidkomponenten mot sentrum av separatorkammeret 3 når flyten fortsetter.

Den relativt tette første fluidkomponenten (vann) ledes deretter ut fra separatorkammeret 3 via den ringformede første utgangen 31 ved nedstrømsenden av kammeret 3 som er i kommunikasjon med utgangen Sl på separatoren via en ringformet kanal 9. Disse elementene kan sees lettere i Fig. 2 som er ei skisse i en større skala av den høyre delen av Fig. 1.1 anvendelsen i petroleumsproduksjon reinjiseres vannet som tømmes på denne måten, med et restoljeinnhold som kan være svært lavt, inn i reservoaret på et nivå som kan være forskjellig fra det nivået fra hvilket emulsjonsblandingen er tatt for tilførsel til inngangen E til separatoren.

Den andre fluidkomponenten med relativt mindre densitet (olje) ekstraheres via en andre utgang av separatorkammeret 3 som i denne utførelsen utgjøres av en inngangsåpning 32 til det sentrale røret 7. Dette røret 7 i utførelsen i Figurene 1 og 2 er festet til det ytre hylsteret 5 av separatoren, og roterer ikke med separatorkammeret 3, derved forenkles byggemåten av apparatet.

I en variant av anordning for utgangene fra separatorkammeret 3, kan de begge være ringformet og konsentriske rundt aksen til kammeret, for eksempel på måten beskrevet i FR-A-2 771029. Ulike anordninger er mulig ved utgangen fra det sykloniske flytseparatorkammeret 3. Generelt er utgangene konsentriske med den tettere komponenten (vann) evakuert fra utgangen som er lengre fra aksen, mens den lettere komponenten (olje) ekstraheres gjennom utgangen nærmere aksen. Under bestemte forhold kan en gassutgang (fase med lavest densitet lokalisert mest sentralt) tilveiebringes i tillegg til utgangene for olje og vann. Fig. 3 viser et forstørret bilde i et langsgående snitt likt det i Fig. 1, som viser et løpehjul 2 i en utførelse av en separator ifølge oppfinnelsen. Løpehjulet 2 er plassert mellom oppstrømskammeret 15 og separatorkammeret 3. Det har en inngang 25 som kommuniserer med oppstrømskammeret 15, kanaler 28 for å lede fluidmediet, en utgang 26 som leder til separatorkammeret 3, og en kjerne 27 som er vesentlig koaksial rundt aksen 6 til separatoren. Kjernen 27 er i form av en asymmetrisk kule, som for eksempel peker mot inngangen til løpehjulet 2 for å bringe fluidet progressivt mot omkretsen til løpehjulet 2, mens den er konisk formet mot separatorkammeret 3. Fig. 4 viser ei snittskisse ved referanselinjen IV - IV på Fig. 3. Det kan ses at ledekanalene 28 er avgrenset av blader 30, for eksempel radiale blader, som strekker seg fra kjernen 27 til veggen av sammensetningen 11, på denne måte dannes hulrom som er lukket i planet til Fig. 4. Fig. 5 er ei snittskisse ved referanselinjen V - V på Fig. 3, det vil si i området til utgangen 26. I dette området avgrenser bladene 30 ledekanalene 28 adskilt fra kjernen 27, de forblir forbundet med veggen til sammensetningen 11, på denne måten dannes hulrom som er åpne mot innsiden av separatorkammeret 3, og vender mot den koniske delen av kjernen 27.

I utgangsregionen 26 strekker de indre endene av de radiale bladene 30 seg langs langsgående kanter 29 som er vesentlig rettlinjet og parallelle til aksen 6 til separatoren. Som vist i Fig.3 ligger disse kantene 29 på en sylindrisk flate som strekker ut den indre flaten 16 til separatorkammeret 3, hvilken flate har en indre diameter D3. Det er denne sylindriske flaten som avgrenser utgangen 26 fra løpehjulet 2 og inngangen til separatorkammeret 3.

Utgangen 26 fra løpehjulet 2 er på denne måten vesentlig sylindrisk i form og med en diameter lik den indre diameteren D3 til separatorkammeret 3. Den er avgrenset av åpningene til ledekanalene 28 mellom kantene 29. Mellom inngangen 25 og utgangen 26 på løpehjulet har kjernen 27 en del med diameter D27 som er større eller lik den indre diameteren D3 av separatorkammeret 3. Diameterne D3 og D27 er vist som å være like i Fig. 3. Ved inngangen til separatorkammeret 3, det vil si ved utgangen 26 fra løpehjulet har flyten av fluid vesentlig en tangensiell hastighetskomponent. Dens sentripetale hastighetskomponent kan være svært liten hvis overgangen mellom den ytre diameteren på ledekanalene 28 og den indre diameteren D3 av separatorkammeret er progressiv, som vist. Ved hjelp av måten som utgangen 26 av løpehjulet 2 er anordnet på, er den tangentielle hastigheten av fluidet som er injisert inn i kammeret 3 praktisk talt den samme som hastigheten av veggen til nevnte kammer, slik at fluidet kommer inn i separatorkammeret 3 uten å danne uønsket friksjon eller turbulens.

Fig. 6 er ei sideskisse av løpehjulet 2 vist for seg selv, som viser formene av kjernen 27 og av de radiale bladene 30 som avgrenser ledekanalene 28.

Løpehjulet 2 vist i Fig. 6 har ledekanaler 28 nær inngangen 25, de nevnte ledekanaler er vesentlig skrueformede for å bringe fluidet progressivt i rotasjon med samme hastighet som rotasjonen til sammensetningen 11. Deretter er ledekanalene 28 rettlinjede i form og vesentlig parallelle med aksen 6 så langt som utgangen 26 fra løpehjulet 2.

Som vist i Fig. 6, i den delen av diameteren D27 hvor ledekanalene 28 blir rettlinjede og langsgående, er nevnte kanaler videre delt inn i et antall som er større enn antallet av kanaler nær inngangen 25.

Ledekanalene 28 kan også være inndelt i et større antall før utgangen 26 for videre å forbedre rotasjonsdrivkraften tilført fluidet før det kommer inn i separatorkammeret 3.

I utførelsen av løpehjulet vist i Fig. 6 er det fem ledekanaler 28 ved inngangen til løpehjulet, ti ledekanaler 28 i et mellomsegment og tjue ledekanaler nedstrøms fra nevnte segment så langt som utgangen 26 fra løpehjulet.

Det er fordelaktig å ha et relativt stort antall ledekanaler 28 ved utgangen 26 fra løpehjulet 2 for å tilskynde relativt uforstyrret gjennomtrengning av fluidet inn i separatorkammeret 3. Et antall ledekanaler 28 større enn 10 er følgelig fordelaktig. Dette antallet er fortrinnsvis større eller lik tjue.

Fig. 7 er en figur lik Fig. 3 som viser en variant av løpehjulet 2 der diameteren D27 av den mellomliggende delen av kjernen 27 er større enn diameteren D3 av separatorkammeret.

Den ovenfor beskrevne sykloniske flytseparatoren er egnet til å separere ethvert fluidmedium som har ikke-blandbare komponenter med forskjellig densitet, og ikke bare for å skille vann- og oljeemulsjoner.

I beskrivelsen over er fluidmediet presentert som at det bare har to fluidkomponenten Naturligvis kan mediet ha flere enn to komponenter med forskjellig densitet. Separatorkammeret kan da ha flere enn to utganger som gjør det mulig for ulike fluidkomponenter å bli ekstrahert. Komponentene som skal separeres i fluidmediet er ikke begrenset til væsker slik som olje og vann; de kan også inkludere gasser og/eller faste partikler suspendert i fluidmediet.

I bruk ved petroleumsproduksjon kommer vann/olje-emulsjonen (muligens også inneholdende gass oppløst i oljen eller injisert fra overflaten) fra et petroleumsreservoar, og tilføres inngangen E på separatoren 1. Den bevegelige sammensetningen 11 omfatter løpehjulet 2 og separatorkammeret 3 settes i rotasjon, for eksempel ved akslingen til en nedhulls pumpe eller ved en motor lokalisert nær separatoren. Dersom separatoren er plassert i en brønn, er oljen som ekstraheres via utgangen S2 løftet til overflateinstallasjonen ved brønnhodet, mens vannet som tømmes ut via utgangen Sl kan reinjiseres på et nivå i reservoaret som kan være forskjellig fra det nivået i reservoaret som produserer.

Et alternativ er å atskille fluidkomponentene ved bunnen av brønnen, men å bringe dem begge til overflaten. Et annet alternativ er å bringe emulsjonen til overflaten og å utføre separasjonen ved overflaten, for eksempel på en offshoreplattform. Et annet alternativ er å overføre fluidblandingen til undervannsbrønnhodet og å utføre separasjonen ved sjøbunnen.

Claims (12)

1. Separator for atskillelse av komponentene i et fluidmedium, hvor separatoren omfatter et sylindrisk separatorkammer (3) og et løpehjul (2) på samme akse, som er drevet til rotasjon, i hvilken løpehjulet (2) omfatter en kjerne (27), en inngang (25) for å motta en vesentlig aksial flyt av fluid, en utgang (26) for injisering av fluidet inn i separatorkammeret, og et flertall ledekanaler (28) dannet imellom inngangen og utgangen av løpehjulet ved omkretsen av kjernen, separatoren erkarakterisert vedat kjernen (27) har en del med diameter vesentlig større eller lik den indre diameter av separatorkammeret (3), i hvilken del ledekanalene (28) er vesentlig rettlinjede og parallelle med aksen av separatorkammeret, de vesentlig rettlinjede ledekanalene strekker seg fra nevnte del til utgangen (26) av løpehjulet, og i at utgangen fra løpehjulet er vesentlig sylindrisk i form og med diameter vesentlig lik den indre diameter av separatorkammeret.

2. Separator ifølge patentkrav 1,karakterisert vedat ledekanalene (28) er vesentlig skrueformet ved siden av inngangen (25) på løpehjulet (2), for å bringe fluidet progressivt i rotasjon med separatorkammeret og løpehjulet.

3. Separator ifølge et av de forgående patentkrav,karakterisert vedat nevnte del av kjernen (27) har en diameter vesentlig lik den indre diameteren av separatorkammeret (3).

4. Separator ifølge et av de forgående patentkrav,karakterisert vedat ledekanalene (28) er videre delt fra nevnte del av kjernen (27) mot utgangen (26) av løpehjulet.

5. Separator ifølge et av de forgående patentkrav,karakterisert vedat ledekanalene (28) er større enn ti i antall ved utgangen (26) av løpehjulet (2).

6. Separator ifølge patentkrav 5,karakterisert vedat ledekanalene (28) ikke er mindre enn tjue i antall ved utgangen (26) fra løpehjulet (2).

7. Framgangsmåte for produksjon av petroleum, framgangsmåten omfatter følgende steg: • Plassere i det minste en komponentseparator (1) i en oljeinstallasjon, separatoren omfatter et sylindrisk separatorkammer (3) og et løpehjul (2) på en felles akse, løpehjulet omfatter en kjerne (27), en inngang (25) midt imot separatorkammeret, en utgang (26) rettet mot separatorkammeret, og et flertall ledekanaler (28) dannet imellom inngangen og utgangen av løpehjulet ved omkretsen til kjernen, separatorkammeret har i det minste første og andre konsentriske utganger (31, 32) på sin ende motsatt fra løpehjulet; • Drive separatorkammeret (3) og løpehjulet (2) til å rotere rundt sin akse (6); • Levere vesentlig aksial flyt av et fluid som inkluderer olje og vann til inngangen (25) av løpehjulet; • Samle vannet fra den første utgangen (31) av separatorkammeret (3); og • Ekstrahere petroleum med et redusert restvanninnhold fra den andre utgangen (32) av separatorkammeret (3), den andre utgangen er nærmere aksen (6) til separatorkammeret enn den første utgangen; framgangsmåten erkarakterisert vedat kjernen (27) til løpehjulet (2) har en del med diameter vesentlig større eller lik den indre diameteren av separatorkammeret (3), i hvilken del ledekanalene (28) er vesentlig rettlinjede og parallelle med aksen til separatorkammeret, de vesentlig rettlinjede ledekanalene strekker seg fra nevnte del til utgangen (26) av løpehjulet, og ved det at utgangen fra løpehjulet er vesentlig sylindrisk i form og med diameter vesentlig lik den indre diameter av separatorkammeret (3).

8. Framgangsmåte ifølge patentkrav 7,karakterisert vedat ledekanalene (28) er vesentlig skrueformet ved siden av inngangen (25) til løpehjulet (2) for å bringe fluidet progressivt i rotasjon med separatorens kammer og løpehjulet.

9. Framgangsmåte ifølge patentkrav 7 eller patentkrav 8,karakterisert vedat nevnte kjerne (27) har en diameter vesentlig lik den indre diameteren av separatorkammeret (3).

10. Framgangsmåte ifølge et av patentkravene 7 til 9,karakterisert vedat ledekanalene (28) er videre delt fra nevnte del av kjernen (27) mot utgangen (26) av løpehjulet.

11. Framgangsmåte ifølge et av patentkravene 7 til 10,karakterisert vedat ledekanalene (28) er større enn ti i antall ved utgangen (26) fra løpehjulet (2).

12. Framgangsmåte ifølge patentkrav 11,karakterisert vedat ledekanalene (28) ikke er mindre en tjue i antall ved utgangen (26) fra løpehjulet (2).