Устройство и способ разделения смеси, состоящей из менее плотной и более плотной жидкостей

1 Настоящее изобретение относится к устройству и способу разделения смеси, состоящей из менее плотного жидкого компонента и более плотного жидкого компонента. Изобретение может быть применено к любой такой смеси,однако предназначено в первую очередь для использования в области разделения текучей среды из скважины. Обычно текучую среду из эксплуатационных скважин подвергают первоначальному разделению в трехфазном сепараторе, который является просто большим сосудом высокого давления, в котором текучую среду эксплуатационных скважин выдерживают в течение времени,достаточного для гравитационного разделения нефти, воды и газа. Трехфазные сепараторы имеют большие размеры для того, чтобы обеспечить время пребывания, достаточное для выполнения разделения. При растущей тенденции к применению плавучих платформ пространство на них может быть более ограниченным, чем на обычных установках для бурения нефтяных скважин. Кроме того, трехфазные сепараторы нужно снабдить сложными перегородками, предназначенными для того, чтобы иметь возможность определять с достаточной точностью уровни жидкости и препятствовать повторному смешиванию, вызванному волнами, возникающими в сепараторе при раскачивании плавучей платформы в море. В качестве альтернативы трехфазным сепараторам предлагают использовать гидроциклоны, позволяющие выполнять первоначальное разделение текучей среды из эксплуатационных скважин. Хотя это позволяет уменьшить объем сепаратора, подобное использование гидроциклонов связано с двумя серьезными проблемами. Во-первых, поскольку они настроены на выделение определенной объемной доли входящего потока, они не могут удовлетворительно справляться с местными скоплениями нефти и не могут также регулироваться по мере увеличения срока эксплуатации скважины, с неизбежным увеличением содержания воды и уменьшением содержания нефти. Во-вторых,гидроциклон не может удовлетворительно работать при инверсии фазы, когда смесь не является постоянно водяной или постоянно нефтяной. Согласно настоящему изобретению, устройство для разделения смеси, состоящей из менее плотного жидкого компонента и более плотного жидкого компонента содержит сосуд с вертикальной осью, кольцевой впускной канал для смеси, выполненный в днище сосуда, открывающийся вверх и снабженный средством для создания завихрения смеси вокруг вертикальной оси при ее выходе из впускного канала,первое выпускное отверстие, расположенное в центре кольцевого впускного канала, предназначенное для спуска в первую очередь менее плотного жидкого компонента, втягиваемого внутрь завихрения, созданного вращающейся 2 жидкостью, и второе выпускное отверстие, направленное к днищу сосуда, расположенное на определенном расстоянии от первого отверстия и предназначенное для спуска более плотного жидкого компонента, отталкиваемого от вертикальной оси сосуда центробежными силами в вращающейся жидкости. Такое устройство обладает всеми преимуществами трехфазного сепаратора и гидроциклона. Путем создания завихрения смеси при ее поступлении в сосуд вызывается принудительное соединение двух жидкостей, что ускоряет их разделение. Центробежные силы, создаваемые вращающейся смесью, заставляют менее плотную жидкость перемещаться в направлении оси сосуда и втягиваться в центр завихрения, в то время как более плотная жидкость отталкивается от оси с возможностью дальнейшего отделения под воздействием силы тяжести в направлении днища сосуда. Таким образом, для разделения требуется гораздо меньше времени,чем в трехфазном сепараторе, что позволяет уменьшить размеры сепаратора. Природа сепаратора такова, что он образует слой менее плотной жидкости над слоем более плотной жидкости, причем менее плотная жидкость втягивается через более плотную жидкость в центр завихрения. Это ведет к сокращению времени нахождения в сосуде, которого достаточно для вмещения любых местных скоплений в смеси. Когда устройство используют для разделения текучей среды из эксплуатационных скважин, для создания завихрения можно использовать природное давление этой текучей среды,так что не требуются никакие насосы. Перепад давления, который возникает на впускном канале и выпускных отверстиях сосуда, означает,что воздушные клапаны, которые обычно требуются для уменьшения давления поступающей текучей среды из эксплуатационных скважин,можно настроить таким образом, чтобы они создавали меньший перепад давления. Это уменьшает степень сдвига смеси и препятствует, таким образом, эмульгированию смеси. Предпочтительно на двух выпускных отверстиях помещают регулирующие клапаны,которыми управляют в зависимости от количества менее плотной и более плотной жидкости в сосуде, чтобы удерживать уровни двух жидких компонентов в заданных пределах. Так, любой клапан может быть закрыт частично или полностью в ответ на падение уровня той или иной жидкости ниже заданного значения, так чтобы можно было повысить уровень данной жидкости. Это означает, что устройство, являющееся предметом настоящего изобретения, может быть настроено таким образом, чтобы состав потоков,выходящих из двух выпускных отверстий, оставался по существу одинаковым в течение всего времени эксплуатации скважины. Таким образом, устройство может принимать поток теку 3 чей среды из эксплуатационной скважины,имеющий неизвестный или меняющийся состав,и создавать две струи известного и постоянного состава, которые находятся в постоянной фазе одного из жидких компонентов. Такие струи могут быть дополнительно легко разделены в гидроциклонах. Количество двух жидких компонентов в сосуде можно определить путем наблюдения за пополнением смеси с помощью многофазного монитора на впускном канале. Однако наиболее простым способом наблюдения за количеством двух жидкостей является использование датчиков уровня для определения уровня свободной поверхности менее плотного жидкого компонента и уровня поверхности раздела между двумя жидкими компонентами. Если сосуд является сосудом высокого давления, устройство может быть дополнительно использовано для отделения газа путем выполнения третьего выпускного отверстия для газа в верхней части сосуда. С выпускным отверстием для газа может быть связан туманоуловитель, предназначенный для осушения газа при его выходе из сосуда и возвращения отделенной от газа жидкости в основную массу жидкости в сосуде. Компоновка кольцевого впускного канала,средства, вызывающего завихрение смеси вокруг оси при ее выходе из впускного канала, а также первого выпускного отверстия может быть обеспечена с помощью устройства, известного как тор и которое может быть, например, подобно описанному в международной публикации WO 96/05128. Завихрение может быть вызвано посредством механизированной лопастной системы. Однако предпочтительным является использование давления поступающей жидкости за счет использования шнека, или наклонной крыльчатой системы, или более предпочтительно с помощью кольцевого впускного канала с тангенциальной или спиральной подачей жидкости. Обнаружено, что сдвиг текучей среды на входе можно поддерживать на минимальном уровне в случае использования двух таких впускных отверстий с тангенциальной или спиральной подачей, диаметрально противоположных друг другу. В днище сосуда может быть предусмотрен полый цилиндрический экран, окружающий кольцевой впускной канал. Этот экран эффективно уменьшает объем воды, который должен приводиться во вращение поступающей жидкостью и таким образом уменьшает потребность в энергии для создания завихрения. Он способствует также созданию области относительного покоя в самой нижней и наиболее удаленной в радиальном направлении части сосуда, так что более плотный жидкий компонент легче отделяется в этой области под воздействием силы тяжести. 4 В случае необходимости отделения твердых частиц, содержащихся в текучей среде из эксплуатационных скважин, далее по направлению потока в сосуде может быть предусмотрена ловушка для твердых частиц, подобная описанной в международной публикации WO 95/07325. Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ разделения смеси менее плотного жидкого компонента и более плотного жидкого компонента, содержащий подачу в сосуд находящейся под давлением смеси через кольцевой впускной канал, выполненный в днище сосуда и раскрывающийся вверх таким образом, что закручивает смесь вокруг вертикальной оси и образует завихрение,в котором менее плотный жидкий компонент образует слой поверх более плотного жидкого компонента и втягивается также в центр завихрения, удаление, в основном, менее плотного жидкого компонента через первое выпускное отверстие в центре кольцевого впускного канала и удаление, в основном, более плотного жидкого компонента через второе выпускное отверстие из области, расположенной ниже слоя менее плотного жидкого компонента. Способ может также содержать наблюдение за количеством более плотного и менее плотного жидкого компонента в сосуде и контроля потока, выходящего из первого и второго выпускных отверстий для поддержания уровней двух жидких компонентов в сосуде на заданных уровнях. В этом случае для определения количества жидких компонентов в сосуде определяют уровень свободной поверхности жидкости и уровень поверхности раздела между двумя жидкими компонентами. Вариант осуществления способа и устройства, являющихся предметом настоящего изобретения, будет описан далее со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых фиг. 1 схематически изображает устройство, согласно изобретению; фиг. 2 - поперечный разрез, демонстрирующий детали нижней части устройства. Как показано на фиг. 1, сосуд 1 высокого давления имеет коническую нижнюю часть,цилиндрическую среднюю часть и криволинейную верхнюю часть. В днище сосуда 1 расположен впускной канал 2 для текучей среды из эксплуатационных скважин. Как показано на фиг. 2, впускной канал 2 текучей среды из эксплуатационных скважин открывается в кольцевую полость 3, которая ведет через пару тангенциальных впускных отверстий 4 во вторую кольцевую камеру, играющую роль впускного канала 5. Кольцевой впускной канал 5 проходит вверх вокруг центра сосуда 1 высокого давления на значительное расстояние внутрь сосуда 1 высокого давления. На конце трубы 7 для подачи текучей среды может быть помещен или прикреплен экран 6 А, 6 В, образующий наруж 5 ную стенку впускного канала, как показано позицией 6 А, или может быть помещен на определенном расстоянии от трубы 7 и прикреплен к основанию сосуда 1, как показано позицией 6 В. Внутри трубы 7 и соосно с ней помещена выпускная труба 8 для жидкости, ведущая к выпускному отверстию 9, предназначенному для сплошной нефтяной фазы. Выпускное отверстие 10, предназначенное для сплошной водной фазы, выполнено в стенке сосуда 1 в направлении днища сосуда. Третье отверстие 11, предназначенное для газа, выполнено в верхней части сосуда 1 вместе с регулятором 12 давления. Индикатор 3 уровня поверхности раздела хорошо известной конструкции предназначен для наблюдения за поверхностью раздела нефти и воды, а индикатор 14 уровня хорошо известной конструкции предназначен для наблюдения за уровнем свободной поверхности нефти. В процессе эксплуатации текучая среда из эксплуатационных скважин поступает под высоким давлением в сосуд 1 через впускной канал 2 для текучей среды эксплуатационных скважин. По мере прохождения текучей среды через тангенциальные впускные отверстия 4 она начинает закручиваться. Завихрение сохраняется по мере того, как текучая среда покидает трубу 7, создавая завихрение 15 внутри сосуда. Центробежные силы вызывают слияние нефти и воды с образованием слоя нефти поверх воды, а также затягивание нефти в центр завихрения и ее отвод через трубу 8 выпуска жидкости. Вода подвергается дополнительному гравитационному разделению в нижней части сосуда 1, и сплошная водная фаза отводится через выпускное отверстие 10, предназначенное для сплошной водной фазы. В то же время из нефти и воды выделяется газ, который скапливается в верхней части сосуда 1 для удаления через выпускное отверстие 11, предназначенное для газа. Индикатор 13 уровня поверхности раздела и индикатор 14 уровня свободной поверхности нефти следят за количеством воды и нефти внутри сосуда 1, а регулирующие клапаны (на чертеже не показаны) на выпускном отверстии 9, предназначенном для сплошной нефтяной фазы и выпускном отверстии 10, предназначенном для сплошной водной фазы предназначены для поддержания уровней нефти и воды в заданных пределах. Таким образом, при уменьшении количества нефти в текучей среде эксплуатационных скважин произойдет понижение уровня свободной поверхности нефти, и это обнаружит индикатор 14 уровня 1. Затем индикатор 14 уровня направит на клапан, регулирующий поток, проходящий через выпускное отверстие 9, предназначенное для сплошной нефтяной фазы, сигнал, частично или полностью закрывающий этот клапан, с тем, чтобы из сосуда отводилось меньше нефти, что позволяет повышать уровень нефти. Аналогичная операция осуществляется с индикатором 13 поверх 001025 6 ности раздела и клапаном на выпускном отверстии 10, предназначенном для сплошной водной фазы в случае уменьшения количества воды во флюиде эксплуатационных скважин. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство для разделения смеси, состоящей из менее плотного жидкого компонента и более плотного жидкого компонента, содержит сосуд (1) с вертикальной осью, кольцевой впускной канал (5) для смеси, выполненный в днище сосуда, открывающийся вверх и снабженный средством (4) для создания завихрения смеси вокруг вертикальной оси при е выходе из впускного канала, первое выпускное отверстие (8), расположенное в центре кольцевого впускного канала и предназначенное для спуска в первую очередь менее плотного жидкого компонента, втягиваемого внутрь завихрения, созданного вращающейся жидкостью, и второе выпускное отверстие (10), направленное к днищу сосуда, расположенное на определенном расстоянии от первого отверстия и предназначенное для спуска более плотного жидкого компонента, отталкиваемого от вертикальной оси сосуда центробежными силами вращающейся жидкости. 2. Устройство по п.1, в котором на двух выпускных отверстиях помещены регулирующие клапаны, управление которыми осуществляется в зависимости от количества менее плотной жидкости и более плотной жидкости в сосуде для сохранения уровней двух жидких компонентов в заданных пределах. 3. Устройство по п.1 или 2, в котором предусмотрены индикаторы (13, 14) уровня, предназначенные для определения уровня свободной поверхности менее плотного жидкого компонента и уровня поверхности раздела между двумя жидкими компонентами. 4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором сосуд (1) является сосудом высокого давления, в верхней части которого расположено выпускное отверстие (11) для газа. 5. Устройство по п.4, в котором с выпускным отверстием (11) для газа связан туманоуловитель, предназначенный для осушения газа при его выходе из сосуда (1) и возвращения отделенной от газа жидкости в основную массу жидкости в сосуде. 6. Устройство по любому из пп.1-5, в котором завихрение создается кольцевым впускным каналом, снабженным тангенциальной или спиральной подачей (4). 7. Устройство по п.6, в котором имеются два впускных отверстия (4) с тангенциальной или спиральной подачей, диаметрально противоположные друг другу. 8. Устройство по любому из пп.1-7, в котором в днище сосуда расположен полый цилинд 7 рический экран (6 А, 6 В), окружающий кольцевой впускной канал (5). 9. Способ разделения смеси менее плотного жидкого компонента и более плотного жидкого компонента, содержащий подачу в сосуд(1) находящейся под давлением смеси через кольцевой впускной канал (5), выполненный в днище сосуда, открытый вверх таким образом,что закручивает смесь вокруг вертикальной оси и образует завихрение, в котором менее плотный жидкий компонент образует слой поверх более плотного жидкого компонента и втягивается также в центр завихрения, удаление, в основном, менее плотного жидкого компонента через первое выпускное отверстие (8) в центре кольцевого впускного канала и удаление, в ос новном, более плотного жидкого компонента через второе выпускное отверстие (10) из области, расположенной ниже слоя менее плотного жидкого компонента. 10. Способ по п.9, который также содержит наблюдение за количеством более плотного и менее плотного жидкого компонента в сосуде и контроль потока, выходящего из первого и второго выпускных отверстий (8, 10) для поддержания уровней двух жидких компонентов в сосуде на заданных уровнях. 11. Способ по п.10, в котором для определения количества жидких компонентов в сосуде определяют уровень свободной поверхности жидкости и уровень поверхности раздела между двумя жидкими компонентами.