NO343248B1 - Anordning for separasjon av væsker og gasser - Google Patents

Abstract

Separasjonsystemet (Figur 1) består av et innløp fulgt av en overgang til separator (kalt diffusor). Separatoren består av en bestemt lengde rør med diameter større eller lik innløp og et utløp der avtrekk av vannet utføres. Selvstendige krav om beskyttelse gjelder: 1) en ny framgangsmåte for å fremstille egnet strømningsmønster, og 2) en ny anordning for utskilling av vann (utløp) som begge har et selvstendig krav om beskyttelse.

Description

ANORDNING FOR SEPARASJON AV VÆSKER OG GASSER

OPPFINNELSENS OMRÅDE

Foreliggende oppfinnelse vedrører en anordning for separasjon av væsker og gasser, bestående av et rett rør eller en rett kanal hvor det strømmer en blanding av tofase olje-vann eller trefase olje-vann-gass, i henhold til krav 1’s ingress.

Flere trinn av separatoren kan sikre ønsket krav til renhet av væsker og gass. Separatoren tenkes anvendt for nedihulls separasjon av vann, for separasjon av vann både på havbunn og på land og ved ulike typer prosessindustri og kjemisk industri.

Ved nedihulls separasjon av vann og ikke aktive surfaktanter er målsetting for eksempel å tømme reservoar mer enn dagens status (50 % olje er ikke produsert).

På havbunn kan for eksempel store kvanta produsert vann skilles fra gass slik at mengde metanol inhibert for å hindre hydrat ikke blir en prosjektstopper. Separatoren har langt mindre diameter enn konvensjonelt utstyr og har derfor mye mindre materialtykkelse.

TEKNIKKENS STAND

Fra WO 2006098637 (NO 329480) er det kjent en rørseparator for separasjon av fluider som f.eks. olje, gass og vann. Separatoren har et langstrakt, utvidet rørformet legeme med en diameter som hovedsakelig er større enn diameteren til innløpsrøret. Separatoren har et innløp og et utløp, samt vertikale avgassingsrør som er koblet til innløpsrøret oppstrøms separatoren. Separatoren separerer ut gass fra en gass-olje-vann brønnstrøm og utsetter ikke strømningen for høye skjærspenninger.

Fra AU 2012201294 er det kjent en rørseparator for separasjon av et fluid, spesielt fluider med ikke-blandbare fluidkomponenter som olje, gass og vann. Separatoren omfatter et utvidet, rørformet separatorlegeme med en diameter som hovedsakelig er den samme som eller litt større enn diameteren til innløpsrøret og utløpsrøret for de separerte komponentene fra separatoren.

Fra US 1939988 er det kjent rørseparator for å separere komponenter produsert fra en oljebrønn. I den øvre delen av rørkammeret er det anordnet en ansamling av hull for gassuttak og oljeuttak, hvor gassutløpene er anordnet i en valgt avstand fra innløpet og oljeutløpsåpningene har en størrelse som tillater den nødvendige utstrømming av olje.

Fra WO 2006058000 er det kjent en rørseparator for separasjon av en flerfasestrøm med minst to væsker og en gass. Separatoren omfatter et øvre, midtre og nedre langstrakt ledningsrør som hver har åpninger adskilt langs sin lengde. Åpningen i det øvre røret er forbundet med åpningen i det midtre røret, som igjen er forbundet med det nedre røret. Blandingen blir tilført hvert sitt rør og på grunn av densitetsforskjeller vil komponentene gradvis skilles ut gjennom respektive utløp.

Fra NO321386 er de kjent en fremgangsmåte og anordning for separering av et fluid omfattende flere fluidkomponenter f.eks. et brønnfluid. Fluidet ledes inn i den ene enden av et hovedsakelig horisontalt rør, hvor fluidet strømmer gjennom røret ved en slik hastighet at det separeres.

Fluidkomponentene tas ut gjennom separate utløp.

Fra US patentsøknad 2002059866 (US patent 6691781) er det kjent en anordning og fremgangsmåte for separasjon av et brønnfluid for reinjeksjon av produsert gass og/eller olje tilbake i reservoaret.

Fra norsk patentsøknad 20001954 (NO316428) er det kjent en fremgangsmåte og anordning for separasjon av olje og vann ved hjelp av en tofase væske/væske-separator. Fasene separeres over en lengde av separatoren og hver av fasene føres separat ut av separatoren.

HENSIKTEN MED OPFINNELSEN

Hensiktene med foreliggende oppfinnelse er å:

- Unngå å aktivere surfaktanter i olje som reduserer separasjonseffektivitet - Unngå signifikant dråpestrøm i gassen

- Diffusorvinkel må være så liten at nye dråper ikke genereres i diffusor - Tettpakket dråpesjikt må koalescere før utløp av separator

- Gass/væske slugstrømning må ikke opptre

- Unngå stasjonær sand i separatorsystem

Disse og andre hensikter oppnås med en anordning for separasjon av væsker og gasser bestående av et rett rør eller en rett kanal hvor det strømmer en blanding av tofase olje-vann eller trefase olje-vann-gass, hvor det i rørets eller kanalens vegg over en valgt lengde av røret er tilvirket en ansamling skråstilte hull som er sylindriske eller er formet som kanaler med rektangulært tverrsnitt, og hvor hullenes diameter eller tykkelse målt i et plan sammenfallende med rørets akse og hullenes akse er 3 - 10 mm og hvor disse hullenes akse ligger i samme plan som rørets akse slik at hullenes akse skjærer rørets akse og hvor hullene er skråstilte i forhold til røraksen med en skråvinkel på 10 – 15 grader og hvor veggflaten på overgangen fra rørveggen til hullets innervegg er kantfri og har en jevn avrunding med krumningsradius 15 mm eller mer og hvor den væsken eller den gassen som skal separeres ut fra blandingen trekkes ut gjennom de skråstilte hullene.

Ved separasjon av vann fra en vann-olje-gass blanding er hullene fortrinnsvis plassert i nedre del av røret og hvor hullene på rørveggens innerside har åpningene rettet mot strømningsretningen i røret slik at væskens utløp gjennom de skråstilte hullene skjer i samme retning som strømningsretningen i røret og hvor rørpartiet med de skråstilte hullene er omsluttet av et oppsamlingskammer bestående av en sylindrisk formet kappe som er koaksial med røret for oppsamling av utseparert væske.

I en foretrukket utførelsesform er det fortrinnsvis tilveiebragt skråhull for avtrekk av vann i bunnen av røret og det er tilveiebragt skråhull for avtrekk av olje fra oppsamlingskammeret og tilbakeføring av oljen til røret, hvilke skråhull er tilveiebragt oppe på veggen eller på toppen av røret, fortrinnsvis i nedstrøms ende av oppsamlingskammeret og hvor disse skråhull på yttersiden av rørveggen er rettet mot strømningsretningen i oppsamlingskammeret og hvor hullaksene skjærer rørets akse og hvor hulldiameter og skråvinkler er av fortrinnsvis samme størrelse som skråhullene i bunnen av røret.

De skråstilte hullene er fortrinnsvis plassert i øvre del av røret eller nærmest mulig toppen av røret og har skråstilling slik at utløpet fra skråhullene skjer i hovedstrømmens retning og hvor avtrekket fanges opp av det omkringliggende oppsamlingskammer.

Et mellomrom i oppsamlingskammeret er fortrinnsvis delt i en øvre del og en nedre del ved en horisontalt stilt delevegg plassert mellom det indre røret og det ytre røret slik at mellomrommet deles i to atskilte kamre, nedre kammer for oppsamling og avtrekk av utseparert vann og et øvre kammer for avtrekk av utseparert olje og gass.

FIGURBESKRIVELSE

Figur 1 viser krav til strømning med lik og ulik diameter i innløp og separator, Figur 2 viser at dråper i gass unngås ved kombinasjoner av VLS og VGS, Figur 3 viser et tettpakket sjikt av oljedråper ved kondensat/vann, separasjonsforsøk

Figur 4 viser oppholdstid for olje dråper I vann mot konsentrasjon av olje i vannet OIV (ppm),

Figur 5 Viser vannfase- (og tettpakket sjikt) hastighet når trefase separert strømning,

Figur 6 viser transformasjon fra separert strømning til dispergert strømning som funksjon av diameter,

Figur 7 viser væskehastighet VLS for å unngå slugdannelse,

Figur 8 viser grunnenhet i separator: Ett skråstilt hull i rørveggen for avtrekk av vann fra olje-vann-gass blanding som strømmer langs rørveggen,

Figur 9 viser en separatorenhet med et sett med skråstilte hull i rørvegg med oppsamlingskappe rundt røret for oppsamling av utseparert væske. Hullene er plassert i bunnen av røret for separasjon av vann fra en olje-vann blanding og på toppen for separering av olje – eller olje gass

Figur 10 Viser et eksempel på separasjonsplott: Vannkutt WCsep i utseparert væske 2.4 fra skråhull 3 – som funksjon av uttrekkshastigheten Uh ut gjennom skråhull 3. Uttrekk på siden (ved 90 grader). Tofase exxsol-vann strøm, ULS = 2,0 m/s. WC.inn = 0,50.

Tilfeller hvor regimet dominerer separasjonen (R):

Figur 11 viser en oversikt over strømningsregimer ved tofase exxsol-vann strøm.

Figur 12 viser et separasjonsplott for exxsol-vann strøm. Avtrekk på tre steder: I bunnen av røret (0 grader), på siden av røret (90 grader) og på toppen av røret (180 grader). Vannkutt i avtrekk (WC.sep) som funksjon av avtrekkshastigheten, Uh. ULS = 1,5 m/s, WC.inn = 0,60,

Figur 13 viser et separasjonsplott for tofase exxsol-vann strøm. Avtrekk i bunnen av røret (0 grader). Vannkutt i avtrekk (WC.sep) som funksjon av avtrekkshastigheten, Uh. ULS = 1,0 m/s, WC.inn = 0,10.

Tilfeller hvor skråhullene dominerer separasjonen (S):

Figur 14 viser tofase vann-olje strøm – avtrekk i bunnen, på siden og på topp. ULS = 2 m/s, WC.inn = 0,60. En har da fullt dispergert vann-olje strøm som i Figur 11 h) eller i). Vannkuttet i blandingen nær rørveggen ved 90 grader vil måtte være nær gjennomsnittet i røret, dvs. nær 0,60. På siden: Vannkuttene ved hurtig og ved langsomt avtrekk (Uh = hhv. ca.3 m/s og ca 0,1 m/s) er 0,79 og 0,97.Dvs vi har: WC.slow > WC.fast > WC.inn.

Figur 15 viser tofase vann-olje strøm – avtrekk i bunnen, på siden og på topp. ULS = 1,5 m/s, WC.inn = 0,30. Fullt dispergert vann-olje strøm som i Figur 11 h) eller i). Vannkuttene ved hurtig og ved langsomt avtrekk (Uh = hhv. ca. 2,7 m/s og ca 0,05 m/s) er hhv.0,74 og 0,96. På siden (90 grader). Her er oljekontinuerlig strøm. Vannkuttet i blandingen nær rørveggen ved 90 grader vil måtte være nær gjennomsnittet i røret, dvs. nær 0,30. På siden: Vannkutt ved Uh = hhv. ca 2,7 m/s og ca 0,05 m/s) er hhv.0,30 og 0,52. Dvs vi har: WC.slow > WC.fast. Den separasjon som finner sted her skyldes ikke fasefordeling eller gravitasjon, men skråhullerts separerende evne.

Tilfeller av trefasestrøm hvor skråhullene dominerer separasjonen (S):

Figur 16 viser et separasjonsplott for trefase exxsol-vann-luft strøm. UGS = 20 m/s, ULS = 0,10 m/s, WC = 0,17. Avtrekk i bunnen av røret (0 grader). Vannkutt i avtrekk (WC.sep) som funksjon av avtrekkshastigheten, Uh.

WC.sep øker fra 0,32 til 0,97 når avtrekkshastigheten reduseres fra 0,4 m/s til ca 0,025.

Figur 17 viser et separasjonsplott for trefase exxsol-vann-luft strøm. UGS = 8 m/s, ULS = 0,10 m/s, WC = 0,10. Avtrekk i bunnen av røret (0 grader). Vannkutt i avtrekk (WC.sep) som funksjon av avtrekkshastigheten, Uh.

(WC.sep øker fra 0,30 til 0,93 når avtrekkshastigheten reduseres fra 1,4 m/s til ca 0,04 m/s.

Figur 18 viser et separasjonsplott for trefase exxsol-vann-luft strøm. UGS = 10, 15 og 20 m/s, ULS = 0,10 m/s, WC.inn = 0,30. Avtrekk i bunnen av røret (0 grader). Vannkutt i avtrekk (WC.sep) som funksjon av avtrekkshastigheten, Uh. WC.sep øker fra 0,42 – 0,46 ved hurtig avtrekk (1,5 m/s) til 0,80-0,90 ved langsomt avtrekk (0,05 m/s) for alle plottene.

Figur 19 viser betydningen av avrundet innløp til skråhull: Trykkoppbygning i skråhull som har avrundet innløp sammenlignet med trykkoppbygning uten avrunding for 2 nominelt like hull. Vannstrøm i plexiglass rør, ID = 20 m.m., hulldiametre 4 m.m., alfa = 15 grdr.

Figur 20 viser en separatoranordning med skråhull både i bunn og på topp: Et sett med skråstilte hull i bunnen av røret for separasjon av vann fra en strømmende olje-vann blanding – og et sett skråhull på toppen av røret for separasjon av olje og gass – fra en vann-olje-gass strøm.

Figur 21 viser en separatoranordning for separasjon av vann fra en olje-vann blanding med et sett med skråstilte returhull i øvre del av røret for tilbakeføring av olje fra oppsamlingskammer til hovedrøret 1.

Figur 22 viser et separasjonsplott for separasjon av olje fra tofase exxsol-vann strøm. Avtrekk på toppen av røret (180 grader). Oljekutt (OC.sep) i avtrekk som funksjon av avtrekkshastigheten, Uh.

Figur 23 viser en skråhullanordning for separasjon av dråper fra en gasstrøm strøm. Avtrekk på toppen av røret (180 grader) gjennom reverserte skråhull – med hullåpning på rørets innside pekende med strømningsretningen.

DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Oppfinnelsen vil i det etterfølgende blir mer detaljert ved hjelp av utførelseseksempler med henvisning til de medfølgende tegninger.

Krav til strømning med lik og ulik diameter i innløp og separator er vist i Fig.1.

Oppfinnelsen gjelder en anordning for separasjon / utløp / avtrekk av vann fra en vann-olje-gass blanding som strømmer i et fortrinnsvis rett rør eller rett kanal. Anordningen består av et større antall skråstilte hull eller kanaler med ny geometri tilvirket i veggen i det røret eller den kanalen hvor blandingen strømmer. Eksperimenter viser at separasjonseffekten ved skråstilte hull har to hovedbidrag:

- Ett dokumentert bidrag som skyldes fordeling av vann og olje over rørtverrsnittet 1 – dvs. av strømningsregime.

- Ett dokumentert bidrag fra separasjon som skjer lokalt inne i skråhullets åpning som er generert av strømningsforholdene inne i hullet/hullåpningen.

Eksperimentelle resultater gitt i tabell under viser at utløpet har bra effektivitet.

Anordningen i henhold til oppfinnelse kan anvendes ved en fremgangsmåte for å sikre egnet strømningsmønster for utløp. Hensikten er å unngå å aktivere surfaktanter i olje som hindrer koalesens.

Forsøk viser at i reservoaret er separasjon av vann fra olje kontinuerlig strømning rask. Oljene som er undersøkt er såkalte ”live oils” som aldri har blitt brakt under reservoar trykket. Oljene er hentet i trykkflasker fra reservoarene Fysikalske egenskaper for oljene som er undersøkt er gitt i Tabell 1.Test kondisjoner og separasjonstid er gitt i Tabell 2.

Separasjonstid med trykkavlastede oljer (atmosfærisk trykk) økte fra 30 til120 sekunder. Årsaken er at ved atmosfærisk trykk forhindrer surfaktanter separasjon for oljene undersøkt. Kondensatets separasjonstid økte ikke. Slike kondensat innholder lite surfaktanter. Resultatene er grunnlag for en fremgangsmåte for å finne separasjonstid nedihulls:

Generelt er separasjonstid (t) gitt av følgende utrykk:

t = K*Cp (sekunder)

der:

K: Koeffisient spesifikk for hver olje med aktive surfaktanter. Dersom surfaktantene ikke er aktive, er verdien av K lik for alle oljene

Cp: Viskositet for kontinuerlig fase (kg/ms)

Kondensatet som ikke forandrer vesentlig koalesenstid med trykk og temperatur blir benyttet som basis når nedihulls koalesenstid for en ny olje skal estimeres. Størrelsen på koalesenstid for ny olje er funnet ved å modifisere verdi for kondensatet (73 sekunder fra Tabell 5 i seksjon 3.4) med forholdet mellom viskositeter. Resultatene i Tabell 3 for de undersøkte oljene bekrefter at dette gir et tilfredsstillende estimat for koalesenstid for en ny olje nedihulls.

For Troll olje rekombinert fra død olje (atmosfærisk trykk) med HC gass, trykk og temperatur hadde slik effekt som vist I Tabell 4. Koalesenstid er lik 80 sek. Dette er lik predikert tid for nedihulls kondisjoner for Troll olje (170 bar og temperatur lik 70 grader C). Det er sannsynlig at surfaktanter (eks. asfaltener) vil løse seg opp ved rekombinasjon til nedihulls kondisjoner. Lignende effekt kan oppnås ved bruk av inhibitorer.

Resultatene for de undersøkte oljene bekrefter at enten kan man sammenligne batch tester på ”live oils” med kondensatet benyttet her eller predikere koalesens tid ved å anvende kondensat som basis og benytte relativ viskositet.

Signifikant dråpestrøm i gassen må unngås.

Forsøk viser at dråper i gass unngås som vist i Fig.2. Diffusor vinkel må være så liten at nye dråper ikke genereres. Exxol/vann separasjonstester ble utført i en lengde 16,5 m med innløp med ID 24 mm og separator med ID 37,5 mm. Økningen av diameter var angulær. Selv med separert strømning i innløp førte angulær økning av diameter til oppbrekking av en fase til store dråper. For å unngå nye dråper måtte diffusor vinkel være så liten at stall ikke inntreffer. Forsøkene viste at med diffusor vinkel 10-20 grader får man ikke generering av nye dråper i kopling mellom innløp og separator.

Tettpakket dråpesjikt bør fjernes

Med vannkontinuerlig strøm vil oljedråper kunne samle seg under oljefase og danne et tettpakket sjikt. Dette sjiktet vil ikke koalesere mot oljen før betydelig tid etter at stigning av oljedråper mot oljefase er komplett.

Lengde av separator er gitt av oppholdstid når dråper i vann er koalescert. Foto i Figur 3 illustrerer at tykkelsen av tettpakket sjikt av dråper kan være så stor at rør med vertikale boringer oppe og nede ikke gir effektiv separasjon.

Det tettpakkete sjiktet fyller langsomt hele separatoren mot innløpet. Med slike utløp må tettpakket sjikt være borte før utløp. Det er imidlertid sannsynlig at nytt utløp vill føre til koalesens av tettpakkede dråper i skrårørene. Forsøksresultatene vist i Fig.4 under gir en nødvendig oppholdstid på omtrent 90 sek.

Tester i 100 m separator med ID: 157 mill og kondensat og vann Formålet med testene var å observere lengde av tettpakket sjikt av oljedråper. Resultatene er vist i Tabell 5. For disse fullskalatestene ble gjennomsnittlig oppholdstid funnet å være lik 73 sek.

Tester med gass/kondensat/vann

Lengden av separatoren var 20 m, innløp med ID:72 mill og separator med ID:254 mill. Fri gass hadde et trykk på 50 bar ved 90 grader C.

Tabell 6 under viser at dersom gass og væske er separert, separerer olje og vann som i et olje/vann system. Ved slugstrømning (gass/væske forhold >1,5) blir væske fasene forurenset.

Fra forsøk utført ved 20 grader C. (Tabell 5) der viskositeten av vann er lik 1Cp:

Koalesenstid =73* Cp

Hastigheten til tettpakket sjikt (V m/s) krever en lengde L(m) av separatoren for at sjiktet skal koalesere:

Betingelser for separert strømning - gass/olje/vann strømning

En trefase strømningsmodell (A. Valle, PhD, Imperial College, år 2000) ble kjørt med 3vann kutt, 3 gass tettheter (30-100-200 kg/m3), 2 olje tettheter (700-800 kg/m3) og 3 diametre (0,254-, 0,232-, 0,152 m).1,3, VGS: 0) og (VLS nær 0 når VGS: 2)

Av dette får vi følgende triangel som grenseverdi for VLS for å lage separert strømning i alle tre fluider:

Superfisiell væskestrømning er lik:

QL: Volumetrisk væskestrømning (m3/s)

A: Innvendig tverrsnittsareal av innløp

For diesel/vann/N2 tester i 8” rør med denne relasjonen varierer vannhastighet VW (m/s) (med tettpakket dråpesjikt) med VGS og VLS som vist i Fig.5.

Resultatene er omtrent like for kondensat/vann og N2,

VW varierer hovedsakelig med VGS og ikke mye med vann kutt.

Fig.5 Vannfase (og tettpakket sjikt) hastighet når trefase separert strømning.

Olje/Vann strømning

Det er blitt observert med oppdatert flerfasemodell at kritisk superfisiell væskehastighet VLS (m/s) er vesentlig en funksjon av ID diameter rør når fysiske parametere for vann og olje og vannkutt er bestemt.

Denne parameter viser når separert strømning går over til dispergert strømning som funksjon av diameter i Figur 6. Beregningene er utført med kondensatet omtalt i denne søknaden og vannkutt lik 0,4.

Fra data over får vi kritisk verdi lik:

Med større enn kritisk verdi vil vi få dispergert strømning. Det forventes ved dispergert strømning at skråhullsystemet i utløpet vil fjerne vann - avhengig av vannkutt og væskehastighet. Derved kan separatorens diameter minskes. Rest vann eller rest olje kan fjernes i nedstrøms trinn.

Gass/væske slugstrømning må ikke opptre.

Forsøk viser at slugstrømning i innløp vil forplante seg til separator og ødelegge lagdelt strømning. Basert på forsøk i 8 toms rør med nafta (viskositet 0,26 Cp), diesel (viskositet 2 Cp), og smøreolje (viskositet 21 Cp) og nitrogengass ved 20, 45 og 90 bar ble fastslått som ny oppdagelse hvordan man kan unngå slugstrømning.

Oppdagelsen er at kritisk superfisiell væskehastighet VLS (m/s) for å unngå slugdannelse er vesentlig en funksjon av gass tetthet (ρ kg/m3)-Fig.7 og viskositet (Cp) av kontinuerlig væskefase. Den kritiske hastigheten varierer med viskositet av væskefase som følger: C * Cp<-0,16>,hvor C er en konstant.

Grenseverdier som gir sikre resultater er gasstetthet < = 100 kg/m3 og viskositet mellom 0,26 og 20 Cp.

Unngå stasjonær sand i separatorsystem

Sandfiltre som omgir produsenten vil sørge for at maksimal sand partikkel størrelse er omtrent 1/3 av åpning i sandfilter. Maksimal størrelse av partikler som passerer gjennom standard filtre vil ha en diameter på omtrent lik 80 mikrometer. Diverse eksperimenter i horisontale rør viser at strømningsraten gjennom separator med eksempelvis ID lik10” må reduseres med omtrent 50% (fra 3356 m3/dag til 1593 m3/dag) for å føre til maksimal diameter stasjonær sand på bunn av separator. Skrårør i separator bunn vil være slik plassert at sanden ved normal produksjon passerer gjennom rørene nær endebunn av separator og ut i annulus som inneholder separert vann. Hastighet av fluider i systemet er så små 0,6-1.5 m/s at erosjon av sand vil bli uten betydning

Regulering for å holde vann i olje og olje i vann til akseptabelt nivå.

Vanninnhold i oljestrøm og olje innhold i separert vannstrøm blir målt på havbunn / plattform/ land. Et lite rør føres fra pumpe for re-injeksjon av vann til målestasjon for olje i vann. Reinjisert mengde vann reguleres med pumpe slik at separasjon av vann tilfredsstiller krav til renhet i produsert olje og reinjisert vann. Dette reguleringssystemet er testet med hydraulisk nedihullspumpe for reinjeksjon av vann. Regulering av høyde av vann korresponderer med ønsket krav til renhet i olje og vann.

Eksempler på nedihulls separasjon og ekstraksjon

1) Tre fase strømning, Fram olje, Viskositet 0,72 Cp

Eksemplet har forskjellig innløp og separator ID. Resulterende mulige produksjonsrate for å erfare separert gass og væske i separator er vist i Tabell 7. Produksjonsraten er tilfredsstillende for stort produksjonsrør (8”).

Resultatene er funksjon av innløp- og separator diameter. Med nye skrå rør i utløp er det mulig å separere vann uten ekstra lengde av separator (for å koalesere tettpakket sjikt).

2) Tre-fase strømning, Troll olje, Viskositet 1,75 Cp

Eksemplet har lik innløp og separator ID. Resultatene er gitt i Tabell 8 Avhengig av ID og mengde gass blir produsert mengde væske tilstrekkelig for den fleste olje rike felt.

3) Olje/vann strømning, Lik diameter innløp og separator, Fram olje, viskositet 0,72 Cp

Det er blitt observert med oppdatert flerfasemodell at kritisk superfisiell væskehastighet VLS (m/s) er vesentlig en funksjon av diameter av rør når fysiske parametere for vann og olje og vannkutt er bestemt.

For Fram olje og kondensat vil strømning med ID 8-12” være separert i produsent og separator. Betydelige rater kan oppnås - se Tabell 9.

Anordningen i henhold til oppfinnelsen utnytter framgangsmåten beskrevet foran og den separerende evne som sterkt skråstilte hull i en rørvegg – typisk vinkel 10 – 15 grader – har til å skille vann eller olje ut fra en blanding av tofase vann og olje – eller trefase vann, olje og gass som strømmer i røret.

Separasjon av vann fra en vann-olje-gass blanding ved bruk av skråhull.

Separasjonsprinsippet går ut på å benytte ett skråstilt hull – eller fortrinnsvis et sett med skråstilte hull plassert i en rørvegg – med hullåpningene på innsiden av rørveggen rettet mot strømmen - og å benytte disse hullenes evne til å separere ut vann fra en vann-olje blanding som strømmer i røret når skråhullet eller skråhullene er plassert i nedre del av røret ved horisontalt stilt rør.

Beskrivelse av grunnenheten i separatoranordningen:

Figur 8 viser elementet – ett skråstilt hull med avrundet innløp plassert i rørveggen – som utgjør grunnenheten i separatoren og som demonstrerer separasjonsprinsippet. I figur 9 er vist en separator basert på et sett med slike skråhull hvor hullene er lokalisert i bunnen av røret. Rundt røret er plassert et oppsamlingskammer 5 for oppsamling av væske 2.4 trukket ut fra skråhullene 3.

På figurene 8 og 9 er:

1 Røret hvor blandingen strømmer

2 Strømmen av olje-vann blanding eller olje-vann-gass blanding 2.1 Olje

2.2 Vann

2.3 Gass

2.4 Væske (vesentlig vann) trukket ut gjennom skråhullene

2.5 Blanding ut fra separator med redusert vanninnhold

3 Skråstilte hull eller kanaler i rørveggen med hullmunning på rørets innside rettet mot strømningsretningen

4 Krummet og kantfri overgang fra rørvegg 1 til innervegg i skråhullet 3 5 Oppsamlingskammer for utseparert vann, 2.4

6 Avtrekksrør for utseparert vann

Skråhullene 3 ligger typisk i samme plan som røraksen 1, slik at hullaksen 3 og røraksen skjærer hverandre. Typisk vinkel mellom hullakse 3 og rørakse 1 er 10 – 15 grader. Hullåpningen er på innsiden av røret rettet mot strømningsretningen. Skråhullene 3 har fortrinnsvis sylindrisk tverrsnitt eller rektangulært / slisseformet tverrsnitt. Typisk hulldiameter ved sirkulært tverrsnitt og tykkelse ved rektangulært / slisseformet tverrsnitt er 3 – 10 m.m.

Virkemåte

Olje-vann blandingen 2 - som strømmer i røret 1 - passerer over åpningen til skråhullet/skråhullene 3 i rørveggen i Figur 8. Noe av væskeblandingen nærmest rørveggen vil da pga. hullets skråstilling og på grunn av avrundingen av veggpartiet 4 mellom rørveggen 1 og skråhullets vegg ledes inn i hullåpningen 3. Deretter bøyes denne strømmen av – og strømmer ut igjen i hovedstrømmen 2 og følger denne videre nedstrøms ut av separatorseksjonen.

Opphoping / koalesens av vanndråper finner da sted inne i hullåpningen.

Separasjon oppnås ved at en viss del 2.4 av væskeblandingen 2 som har trengt inn i hullåpningen trekkes ut gjennom skråhullet 3. Vannkuttet i avtrekket 2.4, WCsep, viser seg å være betydelig økt. Vannkuttet WCsep viser seg videre å være avhengig av vannkuttet inn, WCinn, av blandingens hastighet Umix og av uttrekkshastigheten Uh ut gjennom skråhullet og dessuten av skråhullets plassering på rørperiferien.

Skråstilte hulls separerende evne.

I dette avsnitt presenteres eksempler på eksperimentelle resultater som demonstrerer skråhullenes separerende evne. Oppnådd separasjonsgrad gitt ved vannkutt ut, WCsep, er funnet som funksjon av avtrekkshastigheten Uh, for ulike vannkutt inn, WCinn, og ulike blandingshastigheter i røret, Umix.

EKSEMPEL:

Vannkutt og separasjonsgrad som funksjon av uttrekkshastigheten, Uh.

Figur 10 viser tester med et arrangement tilsvarende Figur 8 – med ett stk skråhull 3. Uttrekkshastigheten Uh for væsken 2.4 ut av skråhullet 3 ble variert ved å regulere undertrykket på utløpssiden. Det målte vannkuttet WCsep i uttrukket væske 2.4 er plottet som funksjon av uttrekkshastigheten Uh gjennom skråhullet 3. Figur 10 viser vannkuttet WCsep i avtrekket sammenlignet med input vannkutt, WCinn, ved ulike uttrekkshastigheter, Uh.

Eksperimentene ble kjørt med en dispergert vann-oljeblanding strømmende i røret 1 som er horisontalt stilt og med skråhullet 3 plassert på siden (ved 90 grader) og åpning på innsiden rettet mot strømmen i røret (ID = 67 mm, skråhullhulldiameter: 3 mm, hullvinkel 15 grader). Vann-oljeblandingen som strømmer i røret i dette tilfelle har vannkutt WCinn = 0,50 og blandingens hastighet Umix = 2,0 m/s.

Figuren viser at:

1) Den uttrukne væske har – uansett uttrekkshastighet Uh - betydelig høyere vanninnhold enn blandingen i røret: WCsep >> WCinn, slik at:

2) Selv ved stor uttrekkshastighet, Uh = 3 m/s som er > Umix = 2 m/s, har uttrukket væsket en betydelig økning av vannkuttet (fra WCinn = 0,50 til WCsep = ca 0,81)

3) Vannkuttet i uttrukket væske øker med minkende uttrekkshastighet:

Ved uttrekkshastighet Uh = ca 0,20 m/s fås vannkuttet WCsep = 0,96

Bidragene til separasjonseffekten

Studium av en rekke separasjonsplott viser at separasjonseffekten ved skråstilte hull har to hovedbidrag:

a) Ett bidrag som skyldes fordeling av vann og olje over rørtverrsnittet 1 – dvs. av strømningsregime, og

b) Ett bidrag fra separasjon som skjer lokalt inne i skråhullets åpning som er generert av strømningsforholdene inne i hullet/hullåpningen.

c)

Gjennomgang av utvalgte eksempler:

7.3.1 Separasjon med hovedbidrag fra fasefordeling over rørtverrsnittet / ulike strømningsmønstre i hovedrøret 1:

I Figur 11 a) – i) er vist 9 ulike strømningsmønstre for vann-olje strøm i horisontalt rør – hvor regimet er bestemt av hovedsakelig inngående vannkutt og blandingens hastighet.

Disse figurer forklarer flere av observasjonene i separasjons-plottene som følger. En modell som er utviklet med vannkutt WCinn og blandingshastighet Umix som innputt størrelser kan benyttes til å prediktere hvilket av strømningsregimene en har ved de ulike strømningstilfellene som ble benyttet i testene.

I tabellene 10, 11 og 12 er vist oversikt over observasjonene. Her betyr R at det er regimet – dvs. fasefordelingen over rørtverrsnittet av vann og olje – som dominerer i separasjonen. S betyr at det er skråhullet som dominerer, og R+S at både fasefordelingen og skråhullet bidrar til separasjonen.

Eksempel 1: Figur 12. Tofase vann-exxsol strøm. Avtrekk både i bunnen og på siden:

ULS = 1,5 m/s, WC.in = 0,60.

Tofasemodellen predikterer strømningsmønsteret 11 d) eller e): Vannfase i bunn og vann med oljedråper over.

Avtrekk i bunnen: Nær rørveggen i bunnen strømmer omtrent rent vann. Ved langsomt avtrekk (typisk Uh = 0,10 m/s) trekkes væske fra nær rørveggen – slik at praktisk talt rent vann kommer ut – med vannkutt 1,0. Ved hurtig avtrekk (typisk Uh = 2 - 3 m/s) trekkes væske inn fra et tykkere sjikt – og dette inneholder også meget nær rent vann, men også litt olje. Avtrekket får da også i dette tilfelle et vannkutt nær 1, her: 0,99. Her er det åpenbart regimet som dominerer separasjonen.

Avtrekk på siden: Her predikteres vann med oljedråper. Likevel er det overvekt av vann (dvs. vannkontinuerlig). En får WCsep = 0,89 og 0,96 ved hurtig og langsomt avtrekk (Uh = hhv.2,8 og 0,05 m/s). Forskjellen mellom disse to kan da bare skyldes en lokal separasjon som skjer inne i hullmunningen – uavhengig av væskefordeling over rørtverrsnittet 1 – en separasjon som gjør størst utslag når avtrekket skjer sakte. I dette tilfellet bidrar både regimet og skråhullet til separasjonen (merket med R+S i Tabell 10.

Avtrekk på toppen av røret: I samme figur er også vist vannkutt for avtrekk på toppen av røret. Vannkuttet ved hurtig avtrekk er bare ca.7 % og ved langsomt avtrekk (0,05 m/s) 0,20. De tilhørende oljekuttene er høye: hhv 0,93 og 0,80.

Konklusjoner mhp. hullenes plassering:

- For separasjon av vann blir separasjonen mest effektiv med hullplassering nær bunnen av røret. Fordi: Her bidrar både regimeseparasjon, gravitasjon og skråhullseparasjon.

- For hull på siden bidrar bare skråhullseparasjon

- For hull på toppen av røret vil både regime og gravitasjon motvirke vannseparasjonen. Dette øker imidlertid oljekuttet og bidrar til

oljeseparasjon. Ved å benytte hurtig avtrekk reduseres vannutseparering – slik at hull på toppen er ideelle for oljeseparasjon

-Eksempel 2: Figur 13. Tofase vann-exxsol strøm: ULS = 1,0 m/s, WC.in = 0,10. Figur 11 predikterer lagdelt vann-olje strøm. I bunnen av røret strømmer nær rent vann. En får vannkutt 1.0 ved langsomt avtrekk (0,05 m/s) gjennom skråhull i bunnen. Ved hurtig avtrekk (1 – 2 m/s) blir også noe olje fra oljesjiktet over vannsjiktet trukket med inn i skråhullet og en får vannkutt WC.sep = 0,68

7.3.2 Separasjon som skyldes skråhull alene.

Ved å la avtrekket skje gjennom skråhull plassert oppe på siden av rørveggen – ved 90 grader – elimineres innflytelsen fra vertikal skjevfordeling av vann og olje og fra gravitasjon. Væske trekkes da inn i hullet fra horisontalplanet – slik at vannkuttet i denne væsken er det samme enten avtrekket skjer hurtig eller langsomt. Når det i slike tilfeller oppnås større vanninnhold ved langsomt avtrekk enn ved hurtig avtrekk så må dette skyldes en separasjon som foregår inne i skråhullets munning ved at langsomt avtrekk gir mulighet for utskilt vann til å akkumulere.

Eksempel 1: Figur 14: Tofase vann-olje strøm – avtrekk på siden: ULS = 2 m/s, WC.inn = 0,50. En har da fullt dispergert vann-olje strøm som i Figur 11 h) eller i). Vannkuttet i blandingen nær rørveggen ved 90 grader vil måtte være nær gjennomsnittet i røret, dvs. nær 0,60.

Vannkuttene ved hurtig og ved langsomt avtrekk (Uh = hhv. ca 3 m/s og ca 0,1 m/s) er hhv.0,79 og 0,96. Dvs. vi har: WC.slow > WC.fast > WC.inn.

Dette betyr:

- Også ved hurtig avtrekk (Uh = 3 m/s som vesentlig overgår hastigheten i røret, Umix = ULS = 2 m/s) oppnås en betydelig separasjon i hullåpningen – total økning av vannkuttet fra omkring 0,60 til 0,79.

- Ved langsomt avtrekk (Uh = ca 0,10 m/s) oppnås en ytterligere separering i hullmunningen (fra ca 0,79 til 0,96)

- Konklusjon: Separasjon i selve hullmunningen finner sted.

Eksempel 2: Figur 15: Tofase vann-olje strøm – avtrekk på siden:

ULS = 1,5 m/s, WC.inn = 0,30. Vannkuttene ved hurtig (2,5 m/s) og ved langsomt avtrekk (0,05) er hhv.0,28 og 0,50.

Dvs: WC.slow > WC.fast > WC.inn. Konklusjon: Separasjon I hullmunningen finner sted. Konklusjon: Figurene 14 og 15 – begge med uttrekk på siden – dvs. tilfeller hvor separasjon ikke skyldes gravitasjonen eller fasefordeling – beviser at selve skråhullet alene har evne til å separere ut vann fra en vann-olje blanding.

Vannseparasjon ved trefase vann-olje-gass strøm Separasjonseksperimenter med separasjon av vann fra en trefase vannexxsol-luft strøm ble kjørt i et 57 m.m. ID horisontalt rør under atmosfæriske betingelser. Mhp. gass og væske var strømmen stratifisert mens væsken i noen tilfeller var lagdelt, i andre tilfeller dispergert.

Eksempel 1: Figur 16: Trefase vann-olje-gass strøm: UGS = 20 m/s, ULS = 0,10 m/s, WC.inn = 0,17.

Figur 16 viser resultat fra separasjon av vann fra en trefase vann-olje-gass strøm ved bruk av et arrangement som tilsvarer Figur 9. Vann-olje-gass strømmen er lagdelt mhp væsken og gassen, mens væsken utgjør en dispergert vann-oljeblanding som strømmer i bunnen av røret, i et sjikt av tykkelse 2 - 3 mm. I bunnen av røret 1 er plassert 10 stk skråstilte hull (3 mm, skråvinkel 15 grader, med innvendige åpninger rettet mot strømmen).

Gasshastighet: UGS = 10 m/s, superfisiell væskehastighet, ULS = 0,10 m/s, vannkutt WC0 = 0,10

Observasjon:

- Avtrekk gjennom skråhullene gir økning av vannkuttet fra 0,17 i gjennomsnitt i filmen til 0,33 ved høy avtrekkshastighet (Uh = 0,42 m/s) og:

- Vannkuttet øker fra 0,17 til 0,80 ved lav uttrekkshastighet (Uh = 0,05 m/s)

- Følsomheten for uttrekkshastigheten ved dette valgte 3-fase tilfellet viser seg å være større enn for tofase olje-vann blanding. (Plottet indikerer at WC.sep = 1 er mulig ved Uh = ca 0,02 m/s)

Eksempel 2: Figur 17: Trefase vann-olje-gass strøm: UGS = 8 m/s, ULS = 0,10 m/s, WC.inn = 0,10. En har da fullt dispergert vann-olje strøm i væskefilmen. Vannkuttet i avtrekket sees å øke betydelig – fra 0,30 ved hurtig til 0,93 ved langsomt avtrekk (0,05 m/s).

Eksempel 3: Figur 18: Trefase vann-olje-gass strøm: UGS = 10, 15 og 20 m/s, ULS = 0,10 m/s, WC.inn = 0,30. En har da fullt dispergert vann-olje strøm i væskefilmen. Vannkuttet i avtrekket sees å øke betydelig – fra 0,42-0,47 ved hurtig avtrekk (1,5 m/s) til hhv.0,90, 0,83 og 0,83 for de tre UGS-verdiene ved langsomt avtrekk (0,05 – 0,10 m/s) – dvs. til verdier som ligger langt over midlere vannkutt i væskefilmen, WC.inn = 0,30.

Konklusjon:

Både Figur 16, 17og 18 demonstrerer at også ved disse tilfeller av trefasestrøm kan separasjonen forklares ved helt eller delvis av skråhullene.

Separasjonsresultater på tabellform:

Tabell 10 og 11 viser separasjonsresultater for tofasestrøm på tabellform. Her viser Tabell 10 tilfeller hvor separasjonen kan forklares med strømningsregimet / fasefordelingen alene (merket R), mens Tabell 11 viser tilfeller hvor separasjonen bare kan forklares med at det skjer en separasjon inne i skråhullet (merket S) – dvs. som er knyttet til selve strømningen i hullmunningen og ikke fasefordeling over rørtverrsnittet

Tabell 12 viser eksempler fra trefasestrøm hvor det åpenbart er skråhullene som dominerer i separasjonen.

Tabell 13 gir oversikt over datagrunnlaget for de viste separasjonsplott (Figur 10, 12 – 18 og Figur 22)

Betydningen av kantfri og avrundet overgang mellom rørvegg og innløp til skråhull

Separasjon av vann i skråhullene når skråhullene sitter i bunnen av et rør (med hullets akse liggende i vertikalplanet) må ha disse 5 typer bidrag:

- Fra gravitasjon ved at vanndråper synker nedover i et oljefelt ved innløpet til hullet

- Fra gravitasjon / oppdrift ved at oljedråper stiger i vannfasen ved innløpet til skråhullet

- Fra sentrifugalkraft ved at væske som trenger inn i skråhullets munning gjennomgår en sving inne i munningen og sentrifugalkrefter trekker vanndråper utover – dvs. innover i hullet (se svingen S på Figur 8) - Fra koalesens av vanndråper i hullmunningen bl.a. pga de nevnte krefter og pga strømningsforholdene inne i hullmunningen

- Fra brodannelse over hullet/hullåpningen mellom oljedråper over hullmunningen som hindrer oljedråper i å strømme ned – mens vann kan passere mellom dråpene og inn i hullet (gjelder vannkontinuerlig strøm).

For de to første er væskeblandingens vertikale hastighetskomponent foran munningen av betydning. Jo slakkere innløpet til hullet er – dvs. jo mindre avbøyningen er – jo mindre er væskens vertikale hastighet og jo lettere kan oljedråper med en viss stigehastighet unngå å bli trukket ned i skråhullet. Av denne grunn er det essensielt at en har en krummet, avrundet og kantfri veggflate 4 på overgangen mellom rørveggen 1 og skråhullenes innervegg 3 i Figur 8. Dvs. hjørnet C på figuren er erstattet med avrundingen 4. Dette er – i tillegg til oljedråpers stigehastighet – nødvendig for å trekke mest mulig væske inn i hullåpningen, men også for å unngå at væskestrømmen løsner fra rørveggen ved kanten mellom rørveggen og innløpet til hullet og dermed passerer forbi hullåpningen uten å trenge inn i hullet i særlig grad.

Effekten av avrundingen framgår av Figur 19. Eksperimentene er utført med enfase vannstrøm i en rørseksjon 1 tilsvarende Figur 8 hvor skråhullet 3 har vært lukket ved utløpet, slik at hastigheten i skråhullet er Uh = 0. Dermed oppstår et stagnasjonstrykk inne i skråhullet 3 som dels skyldes at væsken som trenger inn i hullåpningen retarderes noe og dels at denne væsken må bøyes av før den strømmer ut igjen fra hullmunningen. Figur 19 viser målt stagnasjonstrykk i skråhullet for to nominelt like skråhull 3 – med den forskjell at det ene skråhull har et avrundet innløp 4 mens det andre er uten en slik avrunding, dvs. det har skarpt hjørne C ved kanten av hullmunningen 3.

Stagnasjonstrykket for de to skråhullene er plottet som funksjon av veggskjærspenningen inne i røret 1 - som gir et mål på væskehastigheten i røret.

Figuren viser at stagnasjonstrykket øker mellom 30 – 100 % når hullet med hjørne byttes ut med et tilsvarende hull (av samme hulldiameter og samme hullvinkel) men med avrundet overgangsparti 4 mellom rørveggen og skråhullets vegg. (Hulldiameter: 3 mm, hullvinkler: ca 15 grader for begge, krumningsradius for det krumme partiet 4: Ca 15-20 mm)

Økning av stagnasjonstrykket er ensbetydende med økt inntrenging av væske i hullåpningen noe som medfører økt separasjons-kapasitet når hullet benyttes for separasjon.

Separasjon ved bruk av stort antall hull og oppsamlingskammer rundt røret Figur 20 viser et arrangement som i prinsippet tilsvarer arrangementet i Figur 8 og Figur 9, men hvor en benytter et stort antall skråstilte hull 3 som enten kan være plassert i bunnen av røret (hvis det er vann som skal trekkes av), eller på toppen av røret (hvis det er olje eller gass – eller begge deler som skal trekkes av). Omkring røret er plassert et koaksialt rør / kappe 5 som fungerer som oppsamlingsbeholder for avtrekket 2.4 (vann) eller 2.5 (olje).

Det utseparerte vannet samles i bunnen av oppsamlingskammeret 5 og ledes vekk gjennom avløpsrøret 7. Dette rørets avløpstretning kan være aksialt i hovedrørets retning eller tangentialt / radialt eller skråstilt ut fra oppsamlingskammeret. Ved å benytte flere avtrekkspunkter langsetter oppsamlingskammerets akse kan en oppnå tilstrekkelig lav strømningshastighet i dette kammeret til å sikre lagdelt strøm i kammeret.

Ved avtrekk av både vann og olje utføres røret 1 med skråstilte hull 3.1 i bunnen av røret for avtrekk av vann 2.4 og tilsvarende skråstilte hull 3.2 på toppen av røret for avtrekk av olje 2.5 (eventuelt også gass). For å skille de to fasene kan oppsamlingskammeret 5 være delt i en nedre del 5.1 for vannet og en øvre del 5.2 for oljen og gassen – hvor de to kamrene skilles med en horisontal delevegg 5.3.

Tilbakeføring av avtrukket olje fra oppsamlingskammer til hovedrør Avtrukket væske 2.4 fra hovedrør 1 gjennom skråhullene 3.1 i bunnen av røret 1 vil kunne inneholde noe olje 2.1 som følger med vannet 2.2 ned i oppsamlingskammeret 5. Denne olje søkes ført tilbake til hovedrøret 1 og hovedstrømmen 2 gjennom skråstilte hull 3.4 plassert oppe på rørveggen 1 (se Figur 21). Ved gassfri strøm vil både hovedrøret 1 og oppsamlingskammeret 5 være fylt med væske (dvs. vann noe olje). I oppsamlingskammeret vil strømningshastigheten være så liten at en her har lagdelt vann-olje strøm.

Oljedråper i vannet stiger opp og vil danne et sjikt av olje i øvre del av oppsamlingskammeret 5.

De skråstilte returhullene 3.4 oppe på rørveggen eller på toppen av røret.

Disse hullene er plassert tilstrekkelig høyt oppe på rørveggen til at en med sikkerhet har oljefase på dette sted i oppsamlingskammeret 5 – og de er med fordel plassert i nedstrøms ende av oppsamlingskammeret (se Figur 21). Sett i strømningsretningen – og sett fra oppsamlingskammeret 5 – peker disse hullene på skrå innover i hovedrørets vegg slik at deres akse skjærer hovedrørets akse 1. Pga hullenes skråstilling vil de suge olje inn fra oppsamlingskammeret 5 og inn i og tilbake til hovedrøret 1.

Separasjon av olje fra en strømmende olje-vann blanding

Separasjon av olje ved bruk av stort antall hull på toppen av røret - og oppsamlingskappe rundt røret.

Arrangement som benyttes tilsvarer Figur 20 – men har skråhull bare på toppen av røret. Dette tilsvarer i prinsippet arrangementet i Figur 9 som da er vridd 180 grader rundt slik at de skråstilte hullene blir liggende i toppen av røret 1. Utløpsretning fra hullene er den samme som hovedstrømmens retning.

Omkring røret er plassert et koaksialt rør / kappe 5 som fungerer som oppsamlingsbeholder for avtrukket olje 2.5.

I figur 22 er vist resultater fra separasjonstester med et arrangement som tilsvarer Figur 8, dvs. det er benyttet ett skråstilt hull som er plassert på toppen av røret. (D = 57 mm, d skråhull = 3 mm, skråvinkel = 15 grader, innvendig åpning rettet mot strømmen).

Følgende observeres:

- Uansett avtrekkshastighet Uh er avtrekket på toppen betydelig oljeanriket, dvs. arrangementet separerer olje fra en vann-olje blanding

- Ved hurtig avtrekk på toppen (Uh = 2,5 m/s) har oljeinnholdet økt fra 0,40 i middel i røret til 0,93 og ved langsomt avtrekk (Uh = 0,10 m/s) har oljeinnholdet økt til 0,81. Dvs.:

- Ved oljeseparasjon oppnås best separasjon ved hurtig avtrekk.

Separasjon av restolje fra avtrukket vann før reinjisering av vannet

Ved nedihulls separasjon og ved havbunns separasjon hvor det utseparerte vannet skal reinjiseres i formasjonen – er det strenge krav mhp. tillatt oljeinnhold.

Anmerkning: For vanninnhold i oljen ut fra separator derimot, er kravene mindre strenge: Litt vann i oljen ut fra separatoren utgjør et mindre problem og kan aksepteres.

Kravet til renhet mhp olje i vannet medfører at mulig restolje må fjernes fra vannet som skal reinjiseres. I tilfeller hvor uttrukket vann fra arrangementet beskrevet foran alene ikke gir tilstrekkelig oljefritt vann vil en etter-separasjon være nødvendig. Fjerning av restoljen fra vannet skjer da ved bruk av samme separasjonsprinsipp og samme arrangement som beskrevet foran (bygd opp av skråstilte hull). Totalt blir dette to separasjonstrinn hvor hvert av trinnene benytter skråhull i rørvegg. For å sikre rent vann etter 2dre trinn må olje-vann blandingen for i det minste det siste av de to trinnene være lagdelt.

En enkel versjon av Trinn 2 vil være følgende: Restoljen trekkes av på toppen av vannets avløpsrør 7 gjennom skråhull på toppen av røret 1 – som beskrevet under pkt.7.9 og med arrangementet som vist i Figur 20 (men uten skråhullene i bunnen). Ved hjelp av reguleringsmetoden beskrevet foran trekkes av såpass mye olje at en med sikkerhet ikke har restolje over tillatt verdi i vannet som skal reinjiseres. Avtrukket restolje føres inn på hovedrøret 1 og tilbake til hovedstrømmen 2.

Separasjon av gass fra en gass-dråpe strøm ved bruk av reverserte skråhull I Figur 23 er vist et rør hvor det strømmer gass med dråper. I toppen av røret er tilvirket reverserte skråhull 3.5 slik at hullåpningene på innsiden av røret peker med strømningsretningen. Gass 2.3 trekkes av gjennom skråhullene 3.5. Pga gassens lavere tetthet enn væskedråpene 2.1 vil gassen kunne passere rundt de skarpe hjørnene ved innløpet til skråhullene 3.5 og bli trukket ut i oppsamlingskammeret 5.1. Dråpene vil imidlertid pga sin langt større tetthet fly omtrent rett fram. Gassen som trekkes av vil da være fri for dråper over en viss størrelse – dvs. ha et betydelig redusert væskeinnhold.

Generelt om skråhullenes anvendelse og betydning

Ved konstruksjon og dimensjonering av separatoren tilstrebes stratifisert strøm i hovedrøret 1 slik at ideelle forhold for separasjon av vann fra olje og olje fra vann oppnås. Dette oppnås når kriteriene under fremgangsmåte er tilfredsstilt (se avsnittene 3.1 – 3.6).

Det samme gjelder for avløpsrøret 7 for vann: Her tilstrebes hastigheten så liten at en oppnår en skarp interfase mellom vannet og mulig restolje.

Generelt er de skråstilte hullenes 3 funksjon og hensikt disse:

- Tilleggsseparasjon

Skråhullene separerer i tillegg til gravitasjonsseparasjon og forsterker denne.

Skråhullene gir en ekstra sikkerhet når gravitasjonsseparasjonen alene ikke er tilstrekkelig

Skråhullene gir en ekstra sikkerhet hvis uforutsette ting skjer – som for eksempel vann- eller gassgjennombrudd i brønnen

Skråhullene fungerer i tilfeller hvor det er praktisk umulig å dimensjonere separatoren slik at dispergert væskestrøm unngås

Ved trefasestrøm oppnås meget god separasjon ved skråhullene alene – dvs. selv om væskefasen er dispergert

PARAMETERE OG DERES GRENSEVERDIER

A: Tverrsnittsareal for separatorrør 0,015-0,066 (m<2>)

D: Rørdiameter (m) (typisk 0,05 m – 0,50 m)

d: Hulldiameter skråhull (m.m.) (typisk 3 m.m. – 10 m.m.)

L: Lengde av separator for at tettpakket dråpesjikt skal koalesere 0-200 (m)

Cp: Viskositet 0,2-20 (kg/(m<2>s)

Ql: Produksjons rate for væsker 800-5000 (m3/dag)

Qv: Produksjons rate for vann 80-4500 (m3/dag)

Qo: Produksjons rate for olje 80-4500 (m3/dag)

Qg: Produksjons rate for gass 0-1 (smm<3>/dag)

WC: Vann kutt: Qv/(Qv+Qo) 0,1-0,9

WCinn: Vannkutt i væskeblanding inn på separator

WCsep: Vannkutt i avtrekk / utseparert væske

OC: Oljekutt: Qo/(Qv+Qo)

VLS: Superficial væskehastighet: Ql/A 0-1,3 (m/s) VGS: Superficial gasshastighet: Qg/A 0-2,5 (m/s)

V: Hastighet av tettpakket dråpesjikt i aksial retning, 0,1-2.5 (m/s) Uh: Uttrekkshastighet gjennom skråhull (m/s), 0,05-1 (m/s)

�g Gass tetthet, 10-250 (kg/m<3>)

�l Væske tetthet, 700 - 1000 (kg/m<3>)

TABELLER

Tabeller vedrørende fremgangsmåte:

Tabell 1 -Fysikalske egenskaper for oljene som er undersøkt

Tabell 2 - Testbetingelser og separasjonstid

Tabell 3 - Målt og beregnet koalesenstid

Tabell 4 - Effekt av rekombinasjon av død Troll olje

Tabell 5 - Lengde av tettpakket sjikt av oljedråper

Tabell 6 - Gass/væske interfase bølger

Tabell 7 - Tre fase strømning, ulike diametre for innløp og separator Tabell 8 - Tre fase strømning, lik innløp- og separator ID.

Tabell 9 - Olje/vann strømning, lik innløp- og separator ID.

Tabell 1

Tabell 2

Tabell 3

Tabell 4

Tabell 5

Tabell 6

, , ,

Tabell 7

Tabell 8

Tabell 9

10.2 Tabeller vedrørende anordningen:

Tabell 10 Separasjonstilfeller hvor regimet forklarer separasjonen Tabell 11 Separasjonstilfeller hvor skråhull forklarer separasjonen Tabell 12 Separasjonstilfeller ved trefasestrøm hvor skråhull forklarer separasjonen

Tabell 13 Oversikt over datagrunnlaget for de viste separasjonsplott

Tabell 10 Eksempler hvor regimeseparasjon dominerer ved tofase olje-vann separasjon

Strømningsregime: Tofase gass-vann-oljestrøm. Væsken: Dels lagdelt – dels dispergert

R = r im r n min r r = kr h ll r n min r r

TABELL 10

Tabell 11 Eksempler hvor skråhullseparasjon dominerer ved tofase olje-vann strøm

Strømningsregime: Tofase gass-vann-oljestrøm. Væske: Dispergert:

TABELL 11

Tabell 12 Eksempler på skråhullseparasjon ved trefase gass-olje-vann strøm

Strømningsregime: Trefase gass-vann-oljestrøm. Væske: Dispergert film:

TABELL 12

Tabell 13 Datagrunnlaget for de viste separasjonsplott (Figur 10, 12-18 og Figur 22)

R: Regimet/ fasefordelingen kan forklare separasjonen helt eller delvis S: Skråhull alene forklarer separasjonen

R = regimeseparasjon dominerer; S = skråhullseparasjon dominerer

TABELL 13 FIGURER OG FIGURTEKSTER

Posisjonsnumre:

For samtlige figurer benyttes følgende posisjonsnumre:

1 Hovedrør for separatoren / rørvegg / rørakse

1.1 Øvre kanal / kammer over plate 6

1.2 Nedre kanal / kammer under plate 6

2 Blanding av olje, vann og gass i hovedrør 1

2.1 Olje

2.2 Vann

2.3 Gass

2.4 Uttrukket væske gjennom skråhull

2.5 Oljeanriket blanding ut fra separator

2.6 Restolje fra oppsamlingskammer som tilbakeføres til hovedrør

2.7 Restolje fra avtrekksrør for vann (7) som tilbakeføres til hovedrør

3 Skråstilte hull

3.1 Skråstilte hull i bunnen av hovedrør 1 – og i plate 6

3.2 Skråhull i toppen av hovedrør for uttrekk av olje

a. 3.3 Returhull for olje fra oppsamlingskammer 5 og fra nedre kanal 1.1 under plate 6 – tilbake til hovedrør

b. 3.4 Reversert skråhull i toppen av rør 1 for avtrekk av gass ved gass-dråpe separasjon

3.5 Skråhull i avløpsrør 7 for avtrekk av vann fra nedre kanal 1.2 og

4 Avrundet veggparti på overgangen mellom rørvegg 1 og skråhull 3

5 Oppsamlingskammer rundt rør 1 for oppsamling av avtrukket vann 2.4 ut fra skråhull 3.1

5.1 Øvre kammer i oppsamlingskammer

5.2 Nedre kammer i oppsamlingskammer

5.3 Delevegg i oppsamlingskammer

6 Plate perforert med skråhull 3.1 satt inn i røret 1

7 Avløpsrør for vann ut fra nedre kammer 1.2 og ut fra oppsamlingskammer 5

Claims (5)

Patentkrav

1.

Anordning for separasjon av væsker og gasser bestående av et rett rør eller en rett kanal (1) hvor det strømmer en blanding av tofase olje-vann eller trefase olje-vann-gass (2) karakterisert ved at det i rørets eller kanalens vegg (1) over en valgt lengde av røret er tilvirket en ansamling skråstilte hull (3) som er sylindriske eller er formet som kanaler med rektangulært tverrsnitt, og hvor hullenes diameter eller tykkelse målt i et plan sammenfallende med rørets (1) akse og hullenes (3) akse er 3 - 10 mm og hvor disse hullenes (3) akse ligger i samme plan som rørets (1) akse slik at hullenes (3) akse skjærer rørets (1) akse og hvor hullene er skråstilte i forhold til røraksen med en skråvinkel på 10 – 15 grader og hvor veggflaten på overgangen (4) fra rørveggen til hullets (3) innervegg er kantfri og har en jevn avrunding med krumningsradius 15 mm eller mer og hvor den væsken eller den gassen som skal separeres ut fra blandingen trekkes ut gjennom de skråstilte hullene (3).

2.

Anordning i henhold til krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at hullene ved separasjon av vann fra en vann-olje-gass blanding er plassert i nedre del av røret (1) og hvor hullene (3) på rørveggens innerside har åpningene rettet mot strømningsretningen i røret (1) slik at væskens utløp gjennom de skråstilte hullene skjer i samme retning som strømningsretningen i røret (1) og hvor rørpartiet med de skråstilte hullene er omsluttet av et oppsamlingskammer (5) bestående av en sylindrisk formet kappe som er koaksial med røret (1) for oppsamling av utseparert væske.

3.

Anordning i henhold til hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at det er tilveiebragt skråhull (3.1) for avtrekk av vann i bunnen av røret (1) og det er tilveiebragt skråhull for avtrekk av olje fra oppsamlingskammeret (5) og tilbakeføring av oljen til røret (1), hvilke skråhull (3.1) er tilveiebragt oppe på veggen eller på toppen av røret (1), fortrinnsvis i nedstrøms ende av oppsamlingskammeret (5) og hvor disse skråhull på yttersiden av rørets (1) vegg er rettet mot strømningsretningen i oppsamlingskammeret og hvor hullaksene (3.2) skjærer rørets (1) akse og hvor hulldiameter og skråvinkler er av fortrinnsvis samme størrelse som skråhullene (3.1) i bunnen av røret (1).

4.

Anordning i henhold til hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at de skråstilte hullene (3) er plassert i øvre del av røret (1) eller nærmest mulig toppen av røret (1) og har skråstilling slik at utløpet fra skråhullene skjer i hovedstrømmens retning (2) og hvor avtrekket fanges opp av det omkringliggende oppsamlingskammer (5).

5.

Anordning i henhold til hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at et mellomrom i oppsamlingskammeret (5) er delt i en øvre del (5.1) og en nedre del (5.2) ved en horisontalt stilt delevegg (5.3) plassert mellom det indre røret (1) og det ytre røret (5) slik at et mellomrommet deles i to atskilte kamre, nedre kammer (5.1) for oppsamling og avtrekk av utseparert vann (2.4) og et øvre kammer (5.2) for avtrekk av utseparert olje og gass.