Гравитационный сепаратор и способ разделения смеси, содержащей воду, нефть и газ

013256 Настоящее изобретение относится к гравитационному сепаратору, прежде всего такого вида, в котором смесь, текущая из нефтяной скважины, содержащая воду, нефть и газ, разделяется на отдельные,вертикально разнесенные на расстояние слои воды, нефти и газа в емкости сепаратора для последующего извлечения из емкости посредством выпускного отверстия для воды, выпускного отверстия для нефти и выпускного отверстия для газа, соответственно. Гравитационные сепараторы были известны на протяжении многих десятилетий, и их использовали в нефтедобывающей промышленности в различных вариантах осуществления, некоторые из которых весьма сложные, включают в себя множество статических смесителей и гидроциклонов. Примеры известных типов гравитационных сепараторов можно найти, например, в документах GB 1327991 и WO 99/25454. Патент США 5080802 раскрывает флотационный сепаратор, имеющий эдуктор для вытягивания газа во входящую текучую среду. Эдуктор направляет на рециркуляцию газ, собранный в самой верхней секции емкости, к входящей текучей среде. Сепаратор обеспечен вертикальной трубой коагулятора, расположенной, по существу, в осевом выравнивании с осью емкости, и для получения оптимальных коалесцирующих высоких масс газа используют такое отношение газа к воде, которое составляет приблизительно 30%. Другой газовый флотационный сепаратор известен из патента США 5516434, и этот сепаратор также обеспечен вертикальной трубой коагулятора с фильтрующим материалом. Дополнительный сепаратор для удаления нефти в рассеянном капельножидком состоянии из нефти в эмульсии воды раскрыт в документе ЕР 0793987, в котором газ растворяют во втекающей воде для образования аэрированного раствора. Этот раствор вводят в емкость сепаратора в сборку близко расположенных матричных пластин, образованных из олеофильного материала. Использование вертикальных труб коагулятора с фильтрами или матричных пластин усложняет сепаратор и влечет за собой риск засорения с получающейся в результате потерей пропускной способности. Эти конструкции предшествующей техники также требуют высокой степени обслуживания. Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы обеспечить гравитационный сепаратор, который выполнен эффективно и с относительно простой конструкцией и подходящим низким потреблением газа. Таким образом, изобретение относится к гравитационному сепаратору, содержащему емкость,внутри которого смесь, содержащая воду, нефть и газ, может разделяться под действием силы тяжести,чтобы образовывать вертикально дискретные слои нефти и воды и газовую фазу, емкость, имеющая впускной канал, соединенный со входом в емкость для смеси, содержащей воду, нефть и газ; выпуск для воды; выпуск для нефти и выпуск для газа, причем впускной канал гравитационного сепаратора содержит инжекторное средство, инжектирующее газообразную среду в объеме в диапазоне 0,01-1,9 см 3 газообразной среды на 1 м 3 смеси в смесь, содержащую воду, нефть и газ. Неожиданно было обнаружено, что инжекция в впускной канал такого маленького объема газообразной среды в смесь, содержащую воду, нефть и газ, полностью удовлетворительна для получения желаемой чистой водной фазы с помощью разделения под действием силы тяжести в емкости. И при использовании такого маленького объема газообразной среды не нужно обеспечивать сепаратор ни вертикальными трубами коагуляторов с фильтрами, ни матричными пластинами. Таким образом, получают сепаратор простой конструкции с высокой надежностью, непрерывно высокой пропускной способностью и низкими затратами эксплуатационных расходов. Содержание примесей в водной фазе, выходящей из сепаратора, может быть столь же низким, как 40 промиль. В предпочтительном варианте осуществления трубопровод, подающий газообразную среду в инжекторное средство, рециркулирует газ из гравитационного сепаратора в инжекторное средство. Рециркуляция газа уменьшает любое потребление газообразной среды из внешнего источника. Трубопровод для рециркуляции может собирать газ из устройства переработки газа, расположенного позади по ходу выпускного отверстия для газообразной среды от сепаратора. Однако в варианте осуществления, предпочтительного из-за его простоты, трубопровод, подающий газообразную среду в инжекторное средство, соединен с внутренней частью гравитационного сепаратора в его верхней части. В дополнительном варианте осуществления трубопровод, подающий рециркулирующий газ в инжекторное средство, является единственной подачей нагнетаемого газа в инжекторное средство. Это обеспечивает несколько преимуществ. Газообразная среда, введенная через инжекторное средство, автоматически вытягивается из объема газа, отделенного от смеси в емкости так, чтобы сепаратор стал независимым от внешней подачи газообразной среды. В связи с сепараторами, используемыми в добывающей установке нефти/газа, находящейся на некотором расстоянии от берега, это предотвращение внешней подачи газа очень выгодно. Кроме ухода от затрат на обслуживание и условий внешней подачи газа,также сэкономлено пространство, потому что можно обходиться без резервуаров для хранения, трубопровода для внешней подачи газа и т.д. Согласно подходящему варианту осуществления гравитационного сепаратора, инжекторное средство в впускном канале расположено на расстоянии от входа в емкость с промежутком в диапазоне 0,052,00 м. Это разделение инжекторного средства и входа обеспечивает возможность получать очень хорошее соединение газообразной среды со смесью, содержащей воду, нефть и газ. Чтобы дополнительно улучшать смешивание, гравитационный сепаратор можно обеспечивать смесителем, предпочтительно статическим смесителем, в впускном канале между инжекторным средством и-1 013256 входом в емкость. В варианте осуществления гравитационного сепаратора, подходящего, когда доступно только небольшое пространство, впускной канал проходит сверху вниз через емкость к входу емкости, где смесь вытекает в емкость. Кроме того, смеситель можно располагать в секции впускного канала, проходящего внутри емкости так, что получается очень компактная конструкция. Настоящее изобретение также относится к способу разделения смеси, содержащей воду, нефть и газ, и этот способ содержит этапы: проведения смеси, подлежащей разделению, через впускной канал и вход емкости в емкость, обеспечения возможности разделения смеси в емкости под действием силы тяжести на водную фазу, нефтяную фазу и газовую фазу; выведения водной фазы через выпуск для воды,выведения нефтяной фазы через выпуск для нефти и выведения газовой фазы через выпуск для газа; при этом объем газообразной среды в диапазоне 0,01-1,9 см 3 газообразной среды на 1 м 3 смеси инжектируют в смесь, текущую через всасывающий патрубок ко входу в емкость. Этот ограниченный объем введенной газообразной среды проверяли на выдерживание процесса разделения под действием силы тяжести в емкости и уменьшение затрат на подачу газа, без ухудшения пропускной способности сепаратора. Воду, выводимую из емкости, можно факультативно дополнительно очищать, перед тем, как ее вернут в резервуар. Нефть и газ можно факультативно дополнительно обрабатывать перед их транспортировкой. В связи с настоящим изобретением размерность см 3 используют как единицу объема газообразной среды, введенной относительно объема смеси. См 3 являются стандартными кубическими метрами газовой смеси. См 3 стандартизирован внутри оффшорной области (объем сухого газа при 15,6 С и давлении 101,325 кПа). В рамках настоящего изобретения для введения в диапазоне 0,04-1,6 см 3 газообразной среды на 1 3 м , смесь можно вводить в смесь во всасывающем патрубке, но более предпочтительно объем газообразной среды, введенной в смесь во всасывающем патрубке, ограничен объемом в диапазоне 0,05-0,40 см 3 газообразной среды на 1 м 3 смеси. Этот объем можно вытягивать из сепаратора и направлять на рециркуляцию для инжектирования в смесь в впускном канале без какой-либо внешней подачи газообразной среды. Смесь, текущая к сепаратору на верхней по потоку стороне инжекторного средства, имеет достаточное содержание газа, чтобы обеспечивать сепаратору необходимый объем газообразной среды. Из-за введенного объема газообразной среды и естественного количества газовой фазы в смеси, поток смеси между инжекторным средством и входом в емкость, конечно, имеет увеличенное количество газовой фазы. В предпочтительном способе объем 0,05-0,15 см 3 газообразной среды на 1 м 3 смеси инжектируют в смесь в впускном канале, и в самом предпочтительном способе 0,08-1,2 см 3 газообразной среды на 1 м 3 смеси инжектируют в смесь в впускном канале. Хотя давление в емкости может изменяться и находиться внутри широкого диапазона во время действия приблизительно от 0,1 атм и выше, является предпочтительным, чтобы давление в емкости находилось в диапазоне 0,5-200 атм, удобно в диапазоне 1,0-100 атм. Регулирование давления до оптимального значения может улучшать образование газовой фазы и отделение газа от воды и нефти. Для дополнительного улучшения процесса отделения смеси, содержащей воду, нефть и газ, в одном варианте осуществления изобретения инжектируют одну или более разделительных добавок. Такие разделительные добавки находятся обычно в жидкой форме и включают в себя флокулянты, эмульгаторы и т.д. В предпочтительном варианте осуществления способа согласно изобретению газообразную среду направляют на рециркуляцию, факультативно после повторного извлечения из газовой фазы. Если природный газ из нефтяной скважины используют в качестве газообразной среды, то обычно не будет необходимости повторно извлекать его, поскольку часть собранного природного газа можно выводить и использовать в качестве газообразной среды, подлежащей введению в смесь, содержащую воду, нефть и газ. Вариант осуществления обеспечивает рентабельный способ с минимальной затратой ресурсов. Примеры вариантов осуществления настоящего изобретения описаны с дополнительными подробностями в нижеследующем в отношении очень схематичных чертежей, на которых фиг. 1 иллюстрирует первый вариант осуществления гравитационного сепаратора согласно настоящему изобретению,фиг. 2 иллюстрирует систему форсунки, подходящую для использования в гравитационном сепараторе на фиг. 1,фиг. 3 иллюстрирует альтернативный вариант осуществления сепаратора согласно настоящему изобретению. Обращаясь теперь к фиг. 1, отметим, что здесь гравитационный сепаратор 1 показан с емкостью 2 с впускным патрубком 3, имеющим вход 4 в емкость, расположенный внутри емкости 2. Приток жидкой смеси через вход 4 распространяется свободно непосредственно в емкость, в которой на составные части в смеси действует гравитация. Емкость 2 имеет выпускное отверстие 5 для воды, выпускное отверстие 6 для нефти и выпускное отверстие 7 для газа. Внутри емкости 2 обеспечена перегораживающая пластина 8, которая служит для отделения водной фазы 9 от нефтяной фазы 10. Газовая фаза 11 собирается в местоположении в пространстве над водной фазой 9 и нефтяной фазой 10. В впускном патрубке (канале) 3 емкости 2 установлено инжекторное средство 12 в виде форсунки-2 013256 для закачивания газа, подаваемого в нее через линию 13. Таким образом, газообразную среду вводят в смесь, содержащую воду, нефть и газ в впускном канале 3 прежде, чем смесь входит в емкость 2 через вход 4 в емкость. Емкость является предпочтительно горизонтальной, по существу цилиндрической емкостью 2, закрытой на обоих концах, предпочтительно изогнутыми или выпуклыми заглушками. Емкость 2 и прикрепленное оборудование можно выполнять из подходящих металлических сплавов, предпочтительно сплавов из нержавеющей стали. Емкость 2 предпочтительно собирают с помощью сварки. Смесь, содержащая воду, нефть и газ, имеет жидкий внешний вид, который может быть более или менее вязким, в зависимости от соотношения между водой и нефтью. Газ обычно рассеивается в смеси в виде крошечных пузырьков. Смесь, содержащая воду, нефть и газ, может содержать дополнительные составные части, например примеси из нефтяной скважины. Смесь может также содержать твердые примеси. Возможные твердые примеси в смеси будут обычно выходить из сепаратора с водной фазой. В одном варианте осуществления изобретения инжекторным средством является одна или более форсунок. Форсунка может быть любой форсункой, подходящей для инжекции газообразной среды в смесь, содержащую воду, нефть и газ. Удобно, чтобы форсунка была приспособлена к действию под давлением в диапазоне 5-250 атм. Хотя гравитационный сепаратор может иметь любой желаемый размер, емкость предпочтительно имеет внутренний объем в диапазоне 1-200 м 3, такой как 3-100 м 3, чтобы оптимизировать отношение входа/выхода. В одном варианте осуществления изобретения гравитационный сепаратор содержит средство отделения водной фазы от нефтяной фазы. Средствами являются, главным образом, физические средства,подобные перегораживающим пластинам и т.п., которые можно располагать в нижней части емкости,предотвращая доступ водной фазы к некоторой зоне в емкости, но обеспечивая возможность нефти течь в эту зону, и факультативно выпускное отверстие для нефти располагают в этой зоне. Внутренний участок емкости 2 можно также оснащать одной или более направляющими перегородками и/или направляющими лопастями, чтобы получать желаемый поток или струю в емкости, которая может улучшать разделяющую пропускную способность гравитационного сепаратора. Гравитационный сепаратор может содержать дополнительно средство для инжекции разделительных добавок. Разделительные добавки находятся, главным образом, в жидкой форме, например, флокулянты, эмульгаторы и т.д. Инжекция таких разделительных добавок может дополнительно улучшать разделение под действием силы тяжести. Разделительные добавки можно вводить в впускной канал или в емкости, или в обоих средствах. Газообразная среда может быть любым газом, подходящим для облегчения разделения воды, нефти и газа в смеси. Однако в примере согласно изобретению газообразную среду выбирают из азота, водорода, природного газа, углекислого газа и их смеси. Природным газом обычно является газ, который можно извлекать из нефтяной скважины. Когда природный газ выбран в виде самой предпочтительной части газообразной среды, извлеченный из нефтяной скважины, природный газ может рециркулировать в качестве газообразной среды. Таким образом, газообразную среду можно получать простым и рентабельным способом. После того как газообразная среда была введена в смесь, позже ее можно повторно извлекать, главным образом, из газовой фазы, и/или ее можно направлять на рециркуляцию в систему разделения. Согласно настоящему изобретению инжекторное средство для газа можно устанавливать в впускных каналах существующих гравитационных разделительных емкостей, таким образом, изменяя и улучшая пропускную способность существующих разделительных емкостей. Таким образом, извлекать пользу по настоящему изобретению можно при использовании гравитационного сепаратора уже установленного и находящегося в использовании, например, на нефтедобывающей установке, которая может быть расположена на берегу или на некотором расстоянии от берега. Инжекторным средством может быть одна или более подходящих форсунок, которые можно легко выполнять в устройстве кольцеобразной формы. Фиг. 2 а и 2b - показана форсунка 20, подходящая для использования в изобретении. Устройство форсунки состоит, по существу, из кольцеобразного фланца 21. Внутренняя периферийная поверхность 22 фланца 21 оснащена множеством отверстий 23 (в этом изображенном варианте осуществления восемь отверстий 23) . Отверстия 23 соединены с каналом 24 внутри фланца 21 (на чертеже 2b канал 24 показан пунктирными линиями). Канал 24 дополнительно соединен с линией 25 подачи для газообразной среды,которая прикреплена к внешней периферийной поверхности 26 фланца 21. Форсунка 20 приспособлена к обеспечению смешивания хорошей смеси и газообразной среды в впускном канале 3 (фиг. 1). Фиг. 3 изображает альтернативный вариант осуществления гравитационного сепаратора согласно изобретению. Как в варианте осуществления гравитационного сепаратора, показанного на фиг. 1, альтернативный гравитационный сепаратор 31 содержит емкость 32. Сепаратор 31 также оснащен впускным каналом (патрубком) 33, соединенным с внутренней частью емкости 32 через вход 34 в емкость, выпускным отверстием 35 для воды, выпускным отверстием 36 для нефти и выпускным отверстием 37 для газа. Устройство 38 форсунки расположено в впускном канале 33 и в него подается газ через трубопровод 39-3 013256 из внутренней части емкости 32. В впускном канале 33 после форсунки 38 около входа 34 в емкость выполнен статический смеситель, чтобы обеспечивать хорошее смешивание смеси, входящей в емкость 32 через вход 34. В этом варианте осуществления газообразную среду берут непосредственно из газа, отделенного в емкости 32, и дополнительной подачи газообразной среды можно избегать. Как упомянуто, чертежи являются только схематичными, и по причинам простоты, средства, такие как насосы, клапаны, датчики давления, сборные емкости для нефти и газа и т.д., не были иллюстрированы. Гравитационный сепаратор и способ согласно настоящему изобретению можно изменять внутри объема прилагаемой формулы изобретения. Детали различных вариантов осуществления можно объединять в новые варианты осуществления внутри объема прилагаемой формулы изобретения. Например,можно обеспечивать отдельный сепаратор с двумя или более выпускными отверстиями для нефти и/или с двумя или более выпускными отверстиями для воды, и/или с двумя или более выпускными отверстиями для газообразной среды, и/или с двумя или более впускными каналами или входными отверстиями. Одно или больше выпускных отверстий можно обеспечивать клапаном. Инжекторное средство во впускном отверстии можно объединять с насосом в трубопроводе для извлечения газа из верхнего участка емкости. Однако такие варианты осуществления являются менее подходящими, потому что они более сложные и неавтоматические, саморегулирующаяся система которых является независимой от внешних подач и не имеет никаких подвижных частей. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Гравитационный сепаратор, предназначенный для разделения под действием силы тяжести смеси, содержащей воду, нефть и газ, с образованием вертикально разделенных слоев нефти и воды и газовой фазы, содержащий емкость, входящий внутрь нее впускной канал с выпускным отверстием, расположенным в емкости и образующим вход в емкость разделяемой смеси, выпуск для воды; выпуск для нефти, выпуск для газа, и инжекторное средство для подачи в разделяемую смесь газообразной среды,которое установлено в впускном канале и отстоит от входа в емкость на расстоянии 0,05-2,00 м. 2. Гравитационный сепаратор по п.1, который выполнен с возможностью рециркуляции газовой фазы из емкости в инжекторное средство для подачи в разделяемую смесь газообразной среды, содержащей указанную газовую фазу. 3. Гравитационный сепаратор по п.2, в котором инжекторное средство соединено с верхней частью внутреннего пространства емкости посредством трубопровода. 4. Гравитационный сепаратор по п.2 или 3, в котором емкость является единственным источником подачи указанной газообразной среды в инжекторное средство. 5. Гравитационный сепаратор по любому из пп.1-4, который снабжен смесителем, предпочтительно статическим смесителем, расположенным в впускном канале между инжекторным средством и входом емкости. 6. Гравитационный сепаратор по любому из пп.1-5, в котором впускной канал проходит через емкость сверху вниз к входу емкости. 7. Гравитационный сепаратор по п.5 или 6, в котором смеситель расположен в секции впускного канала, проходящей внутри емкости. 8. Способ разделения смеси, содержащей воду, нефть и газ, осуществляемый с использованием гравитационного сепаратора по любому из пп.1-7, включающий в себя следующие этапы: введение в емкость смеси через впускной канал и вход емкости,разделение смеси в емкости на водную фазу, нефтяную фазу и газовую фазу под действием силы тяжести,выведение водной фазы через выпуск для воды, выведение нефтяной фазы через выпуск для нефти и выведение газа через выпуск для газа,при этом газообразную среду инжектируют в разделяемую смесь, текущую через впускной канал к входу емкости в объеме 0,01-1,9 станд. м 3 на 1 м 3 разделяемой смеси. 9. Способ по п.8, в котором газообразную среду инжектируют в объеме 0,04-1,6 станд. м 3 на 1 м 3 разделяемой смеси. 10. Способ по п.8 или 9, в котором газообразную среду инжектируют в объеме 0,05-0,40 станд. м 3 на 1 м 3 разделяемой смеси. 11. Способ по п.8 или 9, в котором газообразную среду инжектируют в объеме 0,05-0,15 станд. м 3 на 1 м 3 разделяемой смеси. 12. Способ по п.8 или 9, в котором газообразную среду инжектируют в объеме 0,08-0,12 станд. м 3 на 1 м 3 разделяемой смеси. 13. Способ по любому из пп.8-12, в котором в разделяемую инжектируемую смесь вводят одну или более разделительных добавок. 14. Способ по любому из пп.8-13, в котором газообразной средой является газ, отобранный из емкости и инжектированный в впускной канал.