Агапов А.В., Севрюгин К.Г., Павлов Р.Г., Сетин С.П.

АНАЛИЗ РАБОТЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ СЕПАРАТОРОВ НА ОБЪЕКТАХ ПРОМЫСЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ НЕФТИ

Самарский Государственный Технический Университет

Цель настоящей статьи анализ возможности использования современных конструкций массообменных контактных устройств в условиях дегазации нефти.

Были проанализированы различные конструкции аппаратов исходя из условий представленных в данной статье. Лидирующие позиции в данном исследовании занимают аппараты с регулярной насадкой.

В статье был проведен сравнительный анализ технических характеристик насадочных и тарельчатых аппаратов с целью обоснованного выбора подходящей схемы для разрабатываемой конструкции.

Ключевые слова: нефть, газ, аппарат, пленочное течение, массоперенос, ступень, дегазация, жидкость, колонна,  насадка,  плотность скорость,  анализ, камера, решетка, пенообразование.

This article aims to analyze the possibility of using modern designs of mass transfercontacting devices in the degassing of oil. Analyzed various design devices based on the conditions provided in this article. Leading position in this study occupied units with a regular nozzle. In this paper a comparative analysis of the technical characteristics of packed and plate-type apparatus in order to make informed choices appropriate to the scheme developed by the design.

Keywords: oil, gas, phone, film flow, mass transfer, stage, degassing, the liquid column, nozzle, the density velocity analysis, camera, grid, foaming.

Основная доля потерь при внутрипромысловом сборе и подготовке нефти приходится на сырьевые резервуары, используемые в качестве технологических для предварительного сброса воды, а также товарные резервуары.

Величина потерь нефти зависит от ряда причин и индивидуальна для каждого объекта. Отечественный опыт и собственные исследования автора показывают, что большие потери нефти из сырьевых и товарных резервуаров обусловлены, прежде всего, неудовлетворительной работой сепараторов концевых и горячих ступеней сепарации.

Установленные на промысловых объектах подготовки нефти горизонтальные сепараторы не обеспечивают полного удаления газа из нефти, в результате чего в резервуары поступает нефть с высоким остаточным содержанием растворенного газа.

Предпринимаемые в последнее время попытки повышения эффективности дегазации нефти за счет реконструкции действующих нефтяных сепараторов концевых и горячих ступеней не приводят к существенным результатам.

Настоящая статья создана с целью исследования эффективности новой технологии сепарации нефти на основе процесса противоточной многоступенчатой дегазации в колонном аппарате с регулярной насадкой

Следуя классификации промысловых сепараторов, предложенной Синайским Э.Г. (Родоначальник классификации промысловых сепараторов для газожидкостных смесей на месторождениях нефти и газа. – М., 1991. – Т.23.), по виду обрабатываемой продукции рассматриваемые сепараторы относятся к разряду газонефтяных, поскольку в них поступает значительное количество жидкости и газа.

В связи с этим оценку эффективности работы нефтепромыслового сепарационного оборудования ведут по двум основным показателям: уносу мелкодисперсной нефти из сепаратора с газом и полноте извлечения газа из нефти. Причем, газ, уносимый нефтью, может находиться как в свободном виде, диспергированном по всему объёму (так называемый окклюдированный газ) так и в растворенном виде, обуславливая этим метастабильное состояние нефти. Последнее характерно тем, что жидкость при данных термодинамических условиях не находится в равновесии с газом, а является перенасыщенным раствором.

В начальном этапе развития отечественной нефтяной промышленности, до времени повсеместного внедрения напорной системы сбора нефти на промыслах, широкое распространение имели вертикальные газонефтяные сепараторы, оборудованные наклонными полками (дефлекторами). Конфигурация и внутреннее устройство сепаратора позволяли проводить процесс разгазирования нефти в пленочном противоточном режиме при многократном обновлении пленочной поверхности, за счет перетока нефти с полки на полку. При движении нефти по наклонным перегородкам создавались благоприятные условия для массопереноса газа из нефти, а также для выделения пузырькового газа из пленки нефти.

Однако, противоточное движение сплошной (газовой) и дисперсной (нефтяной) фаз снижает эффективность их сепарации, поскольку в этом случае наименьшее значение принимает скорость осаждения дисперсной частицы, которая выражается как разность скорости и основной скорости сплошной фазы.

Мелкодисперсные капли нефти при высоких газовых нагрузках на сепаратор не успевают осаждаться в основной сепарационной секции аппарата. При этом резко возрастает нагрузка на каплеуловительную секцию и происходит снижение качества сепарации газа.

С переходом к однотрубной системе сбора резко повысилась нагрузка на сепараторы первой ступени по газу. Это явилось причиной постепенного отхода от сепараторов вертикального типа к горизонтальным конструкциям сепараторов, обладающих большей производительностью по газу, поскольку при горизонтальном расположении аппарата скорость капель нефти не ограничивается, напрямую, скоростью газового потока, так как они перпендикулярны. Благодаря этому достигнуто лучшее качество гравитационной сепарации газовой фазы и снижение нагрузки на каплеуловитель.

Однако, в этом аппарате произошло явное ухудшение эффективности газовыделения. Прежде всего, это связанно с резким сокращением или полной ликвидацией зоны пленочного разгазирования нефти, а так же, с отсутствие противотока нефти и газа. По существу, единственным фактором, имеющим возможность влиять на полноту газовыделения в горизонтальном сепараторе, является время отстоя нефти.

Однако, имеются исследования, доказывающие, что основное газовыделение из нефти происходит на наклонных полках при пленочном течении нефти. Выделение газа из нефти, как растворенного, так и окклюдированного в секции сбора незначительно, поскольку весьма затруднено в условиях малой удельной поверхности межфазного контакта, «толстых» слоев нефти с ограниченным перемешиванием.

В настоящее время подавляющее большинство газонефтяных сепараторов являются аппаратами горизонтально-гравитационного типа.

Рассматривая работу промысловых сепараторов с современных позиций физико-химической гидродинамики и механики гетерогенных сред можно выделить два типа процессов, происходящих в аппарате и лежащих в основе разделения продукции скважин на нефть и газ, это массообменные и сепарационные процессы. Переход молекул легких углеводородов и сопутствующих газов из жидкой в газовую фазу подчиняется законам переноса массы и происходит преимущественно по двум механизмам: конвективно-диффузионному при массопередаче через поверхность фазового раздела и по механизму кипения, при зарождении пузырькового газа (газовой фазы) непосредственно в слое жидкости. Разделение газовой и жидкой фаз в сепараторе относится к области сепарации гетерогенных сред. Здесь можно выделить механизм сепарации пузырьков газа из сплошной нефтяной фазы и сепарации капельной нефти от сплошной газовой фазы.

Научный анализ работ в области сепарации нефти показывает, что эффективное проведение этих процессов в аппаратах гравитационного типа, требует взаимоисключающих условий. А именно - основной предпосылкой наиболее полной сепарации двухфазных смесей в поле сил гравитации является придание им ламинарного режима движения, устранение дробления, перемешивания и снижения скорости движения сплошной фазы. Эффективный массоперенос газа из нефти, наоборот, требует активного перемешивания взаимодействующих фаз, диспергирования и турбулизации сплошной фазы. В этих условиях направленные усилия на достижение одного параметра, например, качества осаждения из газа капельной нефти не может не снизить другого показателя – полноты извлечения газообразных углеводородов, и наоборот.

Исходя из этого очевидно, что при создании конструкции нефтегазового сепаратора необходимо исходить из его технологического назначения, а так же из первоочередных требований, предъявляемых к его работе.

Все сепараторы в системе сбора и подготовки нефти разделяются на приемные, промежуточные и концевые.

Приемные сепараторы (первая ступень сепарации) предназначены для отделения от нефти основного количества газа при повышенном давлении. Газовый фактор нефти на первых ступенях сепарации, как правило, существенно, от 3 до 10 раз, превышает газовый фактор последующих ступеней, а образующийся газ более лёгкий. Важной особенностью работы приемных сепараторов является то, что в условиях напорной системы сбора в них поступает, как правило, уже расслоившаяся на газовую и жидкую фазу продукция. Расслоение достигается в трубопроводе за счет постоянного снижения давления на пути от скважины до сепаратора.

Свойства газа первой ступени сепарации обычно позволяют использовать его без дополнительного отбензинивания на собственные топливные нужды или для бытового потребления при доведении концентрации сероводорода и влаги до требования стандарта. Нефть, выходящая из сепаратора первой ступени, не является товарной продукцией и подлежит дополнительному разгазированию на ступенях промежуточной и концевой сепарации.

Исходя из этого, преимущественным требованием к работе сепараторов первой ступени является качество газа, а именно, содержание в газе капельной нефти. Присутствие же в сепарированной нефти газа менее опасно, поскольку уносимый газ может быть выделен на последующих ступенях сепарации.

В отличии от сепараторов первой ступени, основной задачей концевых сепараторов, включая горячие, является выделение из нефти остаточного газа и доведение упругости паров нефти до 66,7 кПа (500 мм. рт. ст.), в соответствии с требованиями ГОСТ 9965-75 к качеству товарной нефти.

Концевые сепараторы работают при давлении близком к атмосферному (0,105 – 0,12) МПа и температуре (10 – 45) ^оС. В них поступает нефть с невысоким остаточным газовым фактором от 3 до 18 для легких нефтей. Причем,  поступающая в сепараторы нефть не успевает расслоиться на сплошные фазы в трубопроводе, поскольку дросселируется непосредственно перед сепаратором.

Газ, выделяющийся из сепараторов концевых ступеней, имеет высокую плотность (1,5 – 2,2) кг/см³ и без дополнительного компремирования и подготовки не может быть использован даже на технические нужды.

Из всего вышесказанного следует, что имеются существенные различия в условиях эксплуатации и требованиях предъявляемых к работе приемных и концевых нефтегазовых сепараторов.

К работе сепараторов первой ступени, в первую очередь, предъявляются требования по качеству газа. Для концевых сепараторов первостепенной является полнота дегазации нефти и величина упругости паров товарной нефти.

Этому различию не уделяется достаточного внимания при разработке промышленного сепарационного оборудования. Сепараторы нефти и газа разрабатываемые ЦКБН и ВНИИнефтемашем, имеют одну конструкцию для всех ступеней сепарации. В руководящих документах по расчету промысловых сепараторов нет различий для аппаратов приемного и концевого назначения. В результате, как показывают отдельные промысловые исследования, имеет место быть значительный унос газа нефтяным потоком из концевых сепараторов, приводящий к потере легких углеводородов из резервуаров и загазованности промысловых объектов.

Характеристики исследуемых сепараторов и результаты обследования представлены в таблице 1.

Все аппараты предназначены для концевой или горячей сепарации нефти, поэтому работали при давлении (0,105 – 0,115) МПа и температуре в период обследования (15 – 20) ^оС для концевых и (35 – 45) ^о С для горячих сепараторов. Объем сепараторов от 50 м³ до 100 м³. Удельная нагрузка по жидкости на аппараты составляла от 16,2 т/м³ сут. до 70 т/м³ сут.

Измеренная величина уноса капельной нефти составила от 35 мг/м³ до 769 мг/м³ . Причем, в большинстве случаев, большая величина капельного уноса соответствовала аппарату с большей удельной нагрузкой. Так например, сепараторы, работающие под нагрузкой 32 т/м³. сут. (7 аппаратов) имели унос капельной нефти до 216 мг/м³, причем пять из них – до 134 мг/м³. Исключение составил один аппарат. При нагрузке на аппарат (37-44) т/м³ сут. величина капельного уноса возрастала до (327–408) мг/м³. Максимальный унос 769 мг/м³ на концевом сепараторе при удельной нагрузке на аппарат 70 т/м³ сут.

Следует отметить, что основными факторами, влияющими на унос капель жидкости из сепаратора, являются скорость газа в аппарате, способ ввода нефти, конструкция отбойно-сепарационных элементов, величина турбулентности потока при входе в сепаратор, свойства нефти и, в частности - ее пенообразующая способность.

Принимая во внимание, что все обследованные сепараторы работают на мало пенящихся нефтях средней плотности и имеют, как уже было сказано, примерно одинаковую конструкцию, становится объяснимой полученная зависимость величины капельного уноса нефти от удельной нагрузки по жидкости на аппарат. С ростом удельной нагрузки увеличивается скорость газа в аппарате и турбулезация нефтегазового потока в зоне входа в сепаратор.

Полученные величины капельного уноса для концевых сепараторов Самарской и Оренбургской областей превышают предельные значения, отвечающие нормальной работе нефтегазовых сепараторов (10 – 20) мг/м³.

Таблица 1

Сводная таблица результатов обследований сепарационных установок гравитационного типа

Унос свободного газа нефтью для обследованных аппаратов оказался весьма незначительным - (0,009 – 0,031) м³/м³. Полученные данные не позволили выявить какую-либо зависимость коэффициента уноса свободного газа от нагрузки по жидкости и от времени пребывания нефти в аппарате. Достаточно близкие величины уноса свободного газа свидетельствуют о том, что рассмотренные сепараторы работают в близких условиях, главным из которых являются: физико-химические свойства обрабатываемых нефтей и длительное время отстоя нефти в сепараторе от 8 до 36 минут, за которое происходит выделение основного объема диспергированного газа.

Для обследованных аппаратов унос газа нефтью не превышал 0,01 м³/м³ при времени отстоя нефти более 3 - 4 минут и возрастает до 0,017 м³/м³ при времени – 1 мин. и 0,031 м³/м³ при времени – 0,6 мин.

Поскольку эффективность работы концевых сепараторов прямым образом влияет на потери нефти, представляет интерес провести абсолютное сопоставление трех исследуемых параметров. С этой целью в таблице 2 параметры эффективности сепарации пересчитаны в прямые потери нефти.

Таблица 2

Сопоставление влияния параметров работы концевых сепараторов на величину потерь нефти

Нефть, уносимая газовым потоком из концевых сепараторов относится к прямым потерям, поскольку дренаж низконапорных газовых сепараторов, как правило, не возвращается в товарную нефть. Свободный газ, выносимый нефтью из сепараторов, теряется при прохождении нефтью резервуаров. Остаточный растворенный газ также теряется вследствие больших и малых дыханий резервуаров системы подготовки и транспорта нефти.

Из представленных данных следует, что основным недостатком в работе горизонтальных гравитационных сепараторов концевых и горячих ступеней является унос растворенного газа.

Потери нефти, вызванные этим недостатком на 2 порядка превышают потери от уноса свободного газа нефтью и на 3 порядка потери от уноса капельной нефти газом.

Представленные данные убедительно доказывают, что первоочередной задачей совершенствования техники и технологии концевой сепарации нефти является  интенсификация массообменного процесса с целью снижения ‘