Розділення свердловинної продукції

Сепарація продукції свердловин

Конструкції сепараторів

Газосепаратори застосовуються для сепарації газу від крапель води, нафти, вуглеводневого конденсату і твердих механічних домішок. Сили, які впливають на процес сепарації газової, рідкої і твердої фаз в апаратах, найчастіше є відцентрова або інерційна в поєднанні з гравітаційною.

а - вертикального гравітаційного; б - горизонтального гравітаційного; в - гідроциклонного; г - вертикального жалюзійного; д - горизонтального жалюзійного; е - типу „розширювальної камери”

 

Рис. 3.1 - Схеми різних типів газосепараторів

Гравітаційні газосепаратори вертикального і горизонтального виконання для сепарації газу від рідини широко використовують звичайні прості пустотілі сепаратори. В сепараторах такого типу крапельна рідина із газового потоку осідає під дією сили тяжіння.

В сепараторах будь-якого типу розрізняють чотири секції (рис. 3.2).

I. Сепараційна секція (основна), яка служить для відділення рідини від газу. На роботу сепараційної секції великий вплив має спосіб введення газорідинної суміші в сепаратори (радіальне, тангенціальне, використання різних насадок).

II. Осідаюча секція, в якій відбувається додаткове виділення пухирців газу із рідини. Для більш інтенсивного виділення оклюдованих пухирців газу з рідини, останню направляють тонким шаром по похилих площинах (сходинках), збільшуючи тим самим довжину стікання рідини і ефективність її сепарації. Похилі площини виготовляють з невеликим порогом, сприяючим виділенню газу з нафти.

ІІІ. Відстійна секція (внизу сепаратора), призначена як для збирання, так і для випускання рідини із сепаратора. Рідина може знаходитися в однофазному стані, або в суміші з газом, залежно від ефективності роботи сепараційної і осідаючої секцій.

IV. Краплевідбійна (уловлююча) секція, яка розміщена у верхній частині сепаратора або винесена за його межі, служить для уловлювання найдрібніших крапельок рідини, що виносяться потоком газу в газопровід.

 

 

1 - корпус; 2 - розподільчий колектор; 3 - поплавець; 4 - дренажна труба; 5 - похилі площини; 6 - введення газорідинної суміші; 7 - регулятор тиску „до себе”; 8 - вихід газу; 9 - перегородка для вирівнювання швидкості газу; 10 - жалюзійний краплеуловлювач; 11 - регулятор рівня рідини; 12 - випуск нафти; 13 - скидання бруду (дренаж); 14 - люк; 15 - заглушки

Рис. 3.2 - Схема вертикального гравітаційного

сепаратора з насадкою

Ступінь технічної досконалості сепаратора характеризується трьома показниками:

- мінімальним діаметром крапель рідини, які затримуються в сепараторі;

- максимально допустимою величиною середньої швидкості газового потоку у вільному перетині сепаратора або в краплевідбійній секції;

- часом перебування рідини в сепараторі, за який відбувається виділення вільного газу із рідини.

Розроблений нормальний ряд горизонтальних гравітаційних сепараторів (ГСГ) діаметрами: 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2 м, на робочі тиски: 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10; 16 МПа, з пропускною здатністю по газу від 40 до 1000 тис.м³/доб. Наприклад, ГСГ- 64 -1000, в шифрі прийняті наступні позначення: ГСГ- газовий сепаратор горизонтальний; перша цифра - допустимий робочий тиск (в кг/см²); друга цифра - умовний діаметр (в мм).

Газові сепаратори вертикальні (ГСВ) розроблені на пропускну здатність по газу від 50 до 1500 тис.м³/доб, діаметрами 0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6 м і на робочі тиски: 0,6; 1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4; 10; 16 МПа.

У гравітаційних газосепараторах ефективність осідання крапель рідини при швидкості руху газу 0,05 ÷ 0,5 м/с різко падає і складає 85 ÷ 70% первинної. Практика експлуатації пустотілих гравітаційних газосепараторів показала, що оптимальна швидкість руху газу у вільному січенні апарату не винна перевищувати 0,1 м/с при тиску 6,0 МПа. Якщо тиск газу інший, допустиму швидкість руху газу у вільному січенні гравітаційного сепаратора визначають за табл. 3.1, або розраховують.

Табл. 3.1 - Допустима швидкість газу в сепараторі

від тиску

Тиск газу в апараті, МПа	1,0	2,0	4,0	6,0	8,0	10,0	12,5	16,0
Швидкість газу в апараті, м/с	0,245	0,173	0,123	0,1	0,087	0,077	0,069	0,062

 

Гравітаційні сепаратори (рис. 3.3 і рис. 3.4) призначені для обробки продукції переважно нафтових та газоконденсатних свердловин з великим вмістом в продукції рідини.

Продукція нафтових і обводнених газових і газоконденсатних свердловин обробляється в гравітаційних сепараторах вертикального типу. Це викликано тим, що при експлуатації свердловин разом з газом,нафтою і газовим конденсатом поступає розчинений і оклюдований в ній попутний газ, а також частинки породи. За рахунок висоти гравітаційних сепараторів краще відбувається розділення рідкої і газової фаз в потоці. В сепараторі розділяються вода, нафта, газовий конденсат і газ, а також очищується газ від крапель рідини. Розділення здійснюється в, основному, в сепараційній секції сепаратора.

Вхідний патрубок 1 виконаний у вигляді тангенціального або радіально-щілинного вводу рідини в сепаратор.

При тангенціальному введенні газорідинної суміші у сепаратор, відцентрова сила сприяє кращому розділенню рідини від газу (рис. 3.3).

Рідинна газова суміш поступає в осідаючу секцію, де під впливом сил тяжіння крапельки рідини осідають в нижній частині сепаратора, а звідти періодично видаляються в збірний конденсатопровід (нафтопровід) за допомогою діафрагменного клапана, який відкривається поплавцем регулятора рівня.

Газ із осідаючої секції поступає у відбійну секцію і далі - в збірний газовий колектор. Перед виходом газу може бути додатково встановлена краплевідбійна насадка. Гравітаційна сепарація (седиментація) може забезпечити високий рівень відділення від рідини, механічних домішок, води і газу.

При радіально-щілинному введенні (рис.3.4), із зменшенням швидкості потоку газованої нафти у внутрішньому патрубку 1, із щілин патрубка газ виходить у верхню частину сепаратора (сепараційну секцію), а рідина стікає через нижні щілини у нижню частину сепаратора (осідаючу секцію). Сепаратори з радіально-щілинним вводом використовують, якщо в продукції свердловин міститься пісок або другі тверді частинки.

Газ із осідаючої секції поступає у відбійну секцію і далі - в збірний газовий колектор. Перед виходом газу може бути додатково встановлена краплевідбійна насадка. Гравітаційна сепарація може забезпечити високий рівень відділення від рідини механічних домішок, води і газу.

 

1 - вхід рідини; 2 - для 1 - вхід рідини; 2 - для регулятора

регулятора рівня; 3 - люк; рівня; 3 - для регулятора рівня

4 - для регулятора рівня (зовнішнього); 4 - дренаж;

(зовнішнього); 5 - дренаж; 5 - вихід рідини; 6 - для індикатора

6 - вихід рідини; рівня рідини; 7 - вихід газу.

7 - для індикатора рівня

рідини; 8 - вихід газу.

Рис. 3.3 - Сепаратор з Рис. 3.4 - Сепаратор з

тангенціальним введенням щілинним введенням рідини

рідини.

 

Циклонні сепаратори призначені для обробки продукції нафтових і газоконденсатних свердловин при великих газових факторах і великим водним.

4 4

 

2 2

 

3 6

 

5 5

а) б)

1 - гідроциклон; 2 - вхід газорідинної суміші; 3 - циліндровий збірник рідини; 4 - вихід газу; 5 - вихід рідини; 6 - кульова збірка рідини.

Рис. 3.5 - Гідроциклонні сепаратори з циліндричним (а)

і кульовим (б) збірником рідини

Продукція свердловин поступає тангенціально в циліндричну частину циклонного сепаратора (рис. 3.6), набуває обертальний рух, і, огинаючи вихідну трубу, прямує по гвинтовій лінії в бік вершини конуса. При цьому утворюється стійкий низхідний вихор 1 (рис. 3.6). Унаслідок обертального руху газу в циклонному сепараторі встановлюється нерівномірний розподіл тангенціальної швидкості і статичного тиску уздовж радіусу циклона. Статичний тиск у циклоні зменшується від периферії (стінки) до центру. За рахунок різниці статичного тиску уздовж радіусу внутрішні шари газу низхідного вихору при русі до вершини конуса відділяються від основного потоку і напрямляються до осі циклона (радіальний потік 2), а потім до вихідної труби (висхідний потік 4). Таким чином, утворюється висхідний вихор 4, що обертається в ту ж сторону, що і низхідний. Тангенціальна швидкість у циклоні

збільшується із зменшенням радіусу і досягає максимальної величини на межі вихрового ядра 3.

Усередині вихрового ядра тангенціальна швидкість майже лінійно зменшується, прагнучи нульового значення на осі циклона

Для часткового запобігання винесення плівкової рідини з циклонного сепаратора в його конструкції передбачений розрив вихідної труби, розміщеної у камері розриву. Ефективність роботи циклонних сепараторів досягає 95 %. Звичайно, циклонні сепаратори використовують для грубої очистки газу від рідини на I ступені сепарації.

 

Рис. 3.8 - Циклонний сепаратор Рис. 3.9 – Циклонний відкритого типу сепаратор прямоточний

 

 

Гідроциклони випускаються в трьох модифікаціях: з кожухом, відкритого типу (рис. 3.8) і прямоточні (рис. 3.9).

Гідроциклонні сепаратори з кожухом і відкритого типу виготовляються з підігрівачем і без нього.

Циклонні сепаратори відкритого типу з кожухом випускаються на робочий тиск 6,4; 10; 16; 20 МПа при умовному діаметрі циклона 80; 100; 150; 200 см. Наприклад, ЦСК 100 - 80 в шифрі прийняті наступні позначення: ЦСК- циклонний сепаратор з кожухом; перша цифра - допустимий робочий тиск (в кг/см²); друга цифра - умовний діаметр (в см).

Циклонні сепаратори прямоточні (ЦСП) розроблені на робочі тиски 6,4; 10; 16; 20; 25 МПа з умовним прохідним діаметром циклона 100; 150; 200 см. Пропускна здатність гідроциклонних сепараторів по газу змінюється від 0,3 до 3,0 млн. м³/доб.

Циклонний регулюючий сепаратор типу ЦРС-100-550 наведений на рис. 3.10.

В шифрі сепаратора прийняті наступні позначення: ЦРС - циклонний регулюючий сепаратор; перша цифра - допустимий робочий тиск (в кг/см²); друга цифра - діаметр циклона (в мм).

 

 

1 - регулюючий пристрій; 2 - корпус циклонного сепаратора; 3 - збірник рідини

Рис. 3.10 - Циклонний регулюючий сепаратор

типу ЦРС - 100 - 550

 

Сепаратор складається з циліндричного корпусу 2, змонтованого на циліндричному збірнику рідини 3 і регулюючого пристрою 1 віддалі між конусами циклона.

У патрубку входу газу знаходиться завихрювач лопаточного типу із змінною геометрією. У нижній частині коаксіального корпусу сепаратора розміщена труба виходу очищеного газу, яка забезпечена усіченим конусом для зниження гідравлічного опору. Між конусом труби виходу газу і корпусом є зазор.

При роботі сепаратора газ отримує обертальний рух на виході з завихрювача. Під дією відцентрової сили і сили інерції краплі рідини відкидаються до внутрішньої стінки циклона і у вигляді плівки рухаються вниз по гвинтовій лінії разом з обертовим потоком газу. Очищений газ виходить з апарату через патрубок, а рідина з механічними домішками стікає по стінці сепаратора в циліндричний збірник рідини через зазор. Збірник рідини одночасно може виконувати функції розділювача рідких сумішей, наприклад „вода - конденсат”.

Конструкції відцентрових елементів прямоточного циклона наведені на рис. 3.11.

 

Рис. 3.11 - Конструкції відцентрових елементів сепаратора

 

На рис. 3.12 наведена графічна залежність продуктивності прямоточного циклона сепаратора типу ЦРС-100-550 від віддалі між конусами (Н, мм) і тиску (Р, МПа).

З графіка видно, що діапазон продуктивності змінюється від 0,25 до 5,0 млн. м³/доб при робочому тиску 10 МПа і віддалі між конусами 100 мм.

Рис. 3.12 - Залежність продуктивності відцентрового

прямоточного регулюючого сепаратора від відстані

між конусами (Н, мм) та тиску газу (Р, МПа).

 

Для обробки великих обсягів газу використовують сепаратори з батареєю відцентрових елементів. Такі апарати називають мультициклонними.

Пропускна здатність мультициклонних сепараторів досягає 15 ÷ 20 млн. м³/добу. Ефективність очищення 98 ÷ 99%. Відцентрові елементи в таких сепараторах розташовані горизонтально або вертикально і мають осьовий або тангенціальний завихрювач. Такі сепаратори найчастіше використовуються на нафтогазоконденсатних родовищах.

 

Схема турбосепаратора приведена на рис. 3. 13.

Принцип роботи його наступний. Стислий газ, пройшовши дифузор 2, поступає в направляючий апарат 3, лопатка - завихрювач отримує закручення, внаслідок чого утворюється обертова швидкість потоку. Виникаюча при цьому відцентрова сила відкидає краплі рідини в напрямі зовнішнього конічного ободу 4 з лопатками 5, спрофільованими по дузі кола в радіальній площині. Під дією окружної швидкості потоку газу лопатки 5 на осі 6 і ободі 4 приводяться в обертання. Рідина відводиться через зазор, а потім через патрубок 10 за межі турбосепаратора.

.

Турбосепаратор особливо ефективно працює на родовищах, де вимагається в основному відділяти краплинну рідину від потоку газу.

Для інтенсифікації процесу сепарації, тобто збільшення робочої швидкості газу, а також отримання кращих результатів по ефективності роботи, в сепараторах використовують різного роду насадки. Такі сепаратори називають інерційними.

Відомі насадки з кілець Рашига, кутникові, швелерні та інші, які сприяють якісній сепарації газу, однак вони зменшують продуктивність сепараторів через малі швидкості газу в насадці. Широке застосування отримали сепаратори з насадками з рукавної в'язаної сітки і жалюзі з різними профілями жалюзійних пластин, які забезпечують очищення газу з ефективністю 99 ÷ 99,5%. Осідання крапель рідини в зазначених насадках відбувається в основному під дією сил інерції.

Жалюзійні сепаратори. Жалюзійними сепараторами називають апарати з встановленими в них жалюзійними насадками, які можуть бути змонтовані горизонтально або вертикально.

На газових промислах найбільшого поширення набули сепаратори з вертикальними насадками. Вони більш продуктивні і ефективно вловлюють краплини рідини діаметром 10 ÷ 20 мкм. Жалюзійна насадка являє собою пакет тонких пластин хвилястого профілю, встановлених на рівній відстані одна від одної. При русі газу через вузькі проходи між жалюзійними пластинами інерційні сили, що діють на поворотах, забезпечують осадження крапель рідини на поверхні пластин, утворюючи на ній тонку плівку. Відділення та стікання рідини в основному відбувається на вхідних ділянках жалюзійних пластин. Порушення ефективної роботи насадки відбувається при збільшенні швидкості газу у насадці, коли плівка рідини захоплюється в напрямку руху газу. Вона досягає задніх крайок жалюзійних пластин і зривається з них, зменшуючи ефективність сепарації. Навантаження, при якій виникає це явище, називають критичною, а швидкість, відповідно, - критичною швидкістю.

Важливим показником роботи сепараторів є діапазон ефективної роботи. Для жалюзійних сепараторів цей діапазон невеликий і не перевищує відхилення ± 15% від номінальної продуктивності. Сепаратори з кільцевими жалюзійними пакетами володіють значно великим діапазоном ефективної роботи.

При роботі вертикальних жалюзійних сепараторів при нормальних термодинамічних і газодинамічних умовах ефективність їх досягає 99%, а вторинне винесення рідини з відсепарованим потоком газу не перевищує 10 ÷ 30 г/1000 м³.

Пропускна здатність жалюзійних сепараторів в залежності від тиску і їх діаметрів становить 0,5 ÷ 6 млн. м³/доб (див. рис. 3.14).

Діаметр сепаратора, мм: 1 - 800, 2 - 1000, 5 - 1200, 4 - 1400, 5 – 1600

Рис. 3.14 - Залежність продуктивності жалюзійних

сепараторів від тиску і діаметрів

 

Жалюзійні сепаратори випускаються двох типів: вертикальні (рис. 3.15) і горизонтальні (рис. 3.16).

 

Газорідинна суміш, що поступає в жалюзійний сепаратор, через ввідний патрубок прямує в секцію первинної сепарації, яка служить для відділення основної маси рідини, що знаходиться в газовому потоці.

Рис. 3.15 - Вертикальний жалюзійний сепаратор

 

У секції первинної сепарації розташовуються тангенціальний ввідний патрубок, відбивна перегородка або елементи скруберної насадки, яка працює у режимі затухання швидкості потоку. Виділення рідини з потоку газу в цій секції відбувається в результаті дії інерційних і відцентрових сил. Далі газ з краплями рідини поступає в осідаючу секцію, у якій під дією гравітаційних сил з газового потоку осідають порівняно крупні краплі рідини. Остаточне очищення газу від найдрібніших крапель рідини здійснюється в жалюзійній скруберній насадці в результаті дії інерційних сил.

Рис. 3.16 - Горизонтальний жалюзійний сепаратор

 

Сітчасті сепаратори обладнані насадкою з в'язаної сітки, виконаної з нержавіючого дроту діаметром 0,25 мм. Ці сепаратори володіють широким діапазоном ефективної роботи і вловлюють краплі рідини від 5 ÷ 10 мкм і вище. Сітчасті та жалюзійні насадки часто називають відбійниками. Сітчаста насадка (відбійник) являє собою плоский пакет із дроту, який може бути встановлений в апараті горизонтально або вертикально. Для досягнення більш розвинутої поверхні вертикальний відбійник може мати кільцеву форму. Товщину сітчастих відбійників, як правило, приймають 150 мм і виконують їх з розбірних секцій для зручності огляду і ремонту. Сітчасті насадки характеризуються величиною питомої поверхні. Її визначають як відношення всієї поверхні дротиків в насадці до об’єму насадки, яку вона займає. У сучасних конструкціях сепараторів застосовують насадки з питомою поверхнею 230 ÷ 500 м²/м³.

Принцип роботи горизонтальних і вертикальних насадок різний, і полягає він в наступному. При надходженні газу знизу вгору на горизонтальний відбійник за рахунок дії сил інерції при обтіканні дротів на них осідають краплі рідини. Причому при невеликих швидкостях дрібні краплі рідини схильні обтікати спресовані дроти в насадці і захоплюватися газовим потоком і виноситись із сепаратора. Тому загальна ефективність очищення газу від крапельної рідини сітчастими відбійниками при малих швидкостях невисока. При збільшенні швидкості газу сили інерції проявляються в більшій мірі, більш дрібні краплі затримуються на дротиках, укрупнюються і стікають до нижньої краю відбійника. У нижній частині відбійника утворюється рідинний шар, який пульсує під дією газового потоку. Рідинний шар, що знаходиться в об'ємі сітки, сприяє підвищенню якості сепарації. Укрупнені крапельки рідини стікають струмками та окремими краплями з відбійника вниз. З подальшим збільшенням швидкості газу рідинний шар збільшується і, нарешті, займає весь об'єм відбійника. При цьому ефективність очищення газу різко знижується. Швидкість газу, яка відповідає початку винесення рідини з сітчастих відбійників, називають „критичною швидкістю”. Для забезпечення високої якості очистки газу від рідини необхідно експлуатувати сепаратори в діапазоні ефективних швидкостей, які повинні бути дещо менше „критичної швидкості”. Як правило, сітчасті сепаратори використовують для кінцевої очистки газу і зазвичай встановлюють на кінцевих ступенях сепарації установок комплексної підготовки природного газу.

Пропускна здатність сітчастих сепараторів в залежності від тиску наведена на рис. 3.17.

Діаметр сепаратора, мм: 1 - 600, 2 - 800, 5 - 1600,

4 - 2200, 5 - 2600

Рис. 3.17 - Залежність продуктивності сітчастих

сепараторів від тиску і діаметрів

 

Фільтр-сепаратор для тонкого очищення природного газу від рідини і механічних домішок наведений на рис. 3.18.

Зростаючі вимоги до якості газу і боротьби за зменшення втрат цінних вуглеводневих продуктів висунули проблему створення більш ефективного обладнання для уловлювання дрібнодисперсного аерозолю (туману з краплями діаметром 0,5 ÷ 5 мкм). У зв'язку з цим були створені волокнисті туманні уловлювачі різного призначення. Фільтр-сепаратор є одним з різновидів туманно уловлювачів для тонкого очищення природного газу від рідини і механічних домішок.

Відмінна риса фільтра-сепаратора від сітчастого сепаратора є наявність в ньому фільтруючої секції, яка одночасно і укрупнює дрібні краплі рідини (відбувається коалесценція). Фільтруючим і коалесцентним матеріалом зазвичай є скловолокно з тонких ниток. Основні сили, що діють на краплю в скловолокнистому матеріалі, - це сили інерції, ефект зачеплення і броунівська дифузія.

 

1 - вхідна сепараційна зона; 2 - фільтруюча секція; 3 - краплевідбійник;4 - вихід газу; 5 - збірник рідини; 6 - каркас фільтруючого патрона; 7,8, 9 - фільтруючі і коалесційні шари

Рис 3.18 - Фільтр-сепаратор для тонкого очищення

природного газу