Сепаратор для разделения смеси жидкость/жидкость/газ/твердое вещество

011338 Настоящее изобретение относится к сепаратору и, в частности, но не исключительно, к сепаратору для отделения или частичного отделения нефти, воды, газа и твердых веществ от жидкостей (флюидов),находящихся в стволе скважин по добыче углеводородов. Предшествующий уровень техники Доказано, что добыча углеводородов, особенно из отдаленных или периферийных нефтяных и газовых шельфовых месторождений, имеет большое значение для нефтяных компаний и для экономик некоторых стран, производящих углеводородное сырье. Сейчас немного больших месторождений нефти, и они в большинстве случаев начинают страдать или страдают от проблем производства, вызванных высоким расходом воды. С экономической точки зрения для продления срока действия таких месторождений и для разработки менее крупных запасов нефти, особенно в глубоких водах либо на большом расстоянии от других вспомогательных мощностей, имеется необходимость создания компактного сепаратора нового поколения. Для продолжения производства или для введения в производство таких месторождений экономичным и безопасным для окружающей среды способом было бы полезным сепарировать объемы любой полученной воды, особенно, если залежи содержат водную непрерывную фазу, либо на входном участке процесса сепарации на поверхности, либо на морском дне. Большую часть нежелательных побочных продуктов из скважины, таких как отработанная вода и твердые вещества, необходимо либо выбрасывать в окружающую среду, соблюдая при этом соответствующие правила, либо возвращать в оборудование для сброса или в зону поддержания давления рядом от производственной скважины, в некоторых случаях твердые вещества требуется транспортировать к берегу для обработки и утилизации. Все это следует осуществлять, управляя большими прерывистыми объемами газа, твердых веществ, нефти и воды, которые известны в промышленности как пробки. Для обработки этих пробок исторически использовали большие резервуары высокого давления со временем выдерживания 3 мин или более либо способы уменьшения образования пробок для сглаживания такого прерывистого или закупоривающего потока. Сущность изобретения Согласно настоящему изобретению предложен сепаратор для разделения потока на первую жидкость, вторую жидкость, которая является более плотной, чем первая жидкость, и твердые вещества, содержащий резервуар, циклон, установленный в этом резервуаре, впускной канал, проходящий через стенку резервуара в циклон, причем впускной канал содержит средства для вращения потока в циклоне; первый выпускной канал для первой жидкости, выходящий из положения внутри циклона и проходящий, по существу, вдоль центральной оси циклона; второй выпускной канал для второй жидкости, выходящий от днища резервуара; и третий выпускной канал для твердых веществ, выходящий от нижнего торца циклона. Верхний торец циклона может быть открыт в резервуар, и в рабочем положении вторая жидкость может переливаться из циклона в резервуар. Резервуар может быть, по существу, симметричным относительно его центральной вертикальной оси. Резервуар может быть цилиндрическим. Могут быть предусмотрены средства для вращения потока в циклоне, включающие формирование или установку впускного канала для направления входящего потока от центральной оси циклона. В верхней части резервуара может быть предусмотрен выпускной канал для газа. Третий выпускной канал может содержать псевдоожижающее устройство, расположенное в циклоне. Может быть предусмотрен дополнительный канал для вывода воды в псевдоожижающее устройство. В циклоне выше псевдоожижающего устройства могут быть расположены вихревая опора или внутренний локатор. Первый выпускной канал может иметь щели, которые открыты в часть циклона, в которой аккумулируется первая жидкость по мере ее отделения. В пространстве между циклоном и резервуаром может быть предусмотрен фильтр. В нижней части резервуара могут быть предусмотрены впускной канал для газа и распределительные средства. Второй выпускной канал может находиться под контролем клапанного устройства контроля уровня вихря. У открытого торца циклона может быть предусмотрен внутренний экран. Согласно второму аспекту изобретения предложена система, содержащая трубопровод, соединенный с первым выходным каналом сепаратора,насос в трубопроводе для повышения давления потока через первый выходной канал и индукторный или струйный насос, установленный в трубопроводе ниже по потоку от вышеуказанного насоса, который соединен с выпускным каналом для газа сепаратора. Трубопровод может быть соединен с оборудованием ниже по потоку, в котором создается более-1 011338 высокое давление, чем в сепараторе. Преимущество изобретения заключается в том, что оно предлагает надежный способ удаления по меньшей мере 80% пластовой воды, содержащейся в потоке буровой скважины. Изобретение также позволяет удалять твердые отходы таким образом, что снижаются объемы жидкости, перекачиваемые в трубопровод или проходящие через существующий процесс сепарации, что позволяет пробурить и обслуживать больше скважин с имеющимися производственными мощностями. Это во многих случаях позволяет повысить производительность и извлекаемые ресурсы как существующих мощностей по производству нефти, так и новых производственных установок и шельфовых отдаленных месторождений. Преимущество системы согласно изобретению заключается в том, что она способна управлять пробками флюидов и твердых веществ в скважинах без нарушения технологических параметров, в результате чего сепаратор имеет высокую степень производительности в отношении каждой фазы, подлежащей отделению. Краткое описание чертежей Для лучшего понимания изобретения и для более ясной иллюстрации работы устройства в качестве примера ниже приведено описание изобретения со ссылкой на чертежи, где фиг. 1 показывает поперечный разрез первого варианта осуществления сепаратора в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 2 - поперечный разрез второго варианта осуществления сепаратора в соответствии с настоящим изобретением; фиг. 3 - схематично процесс, в который включены сепараторы по фиг. 1 и 2, включая насосные средства для увеличения давления через выход сепаратора, обогащенный нефтью, для питания индукторного или струйного насоса, который привлекает газ из сепаратора в трубопровод или в оборудование ниже по потоку, в котором создается более высокое давление, чем в сепараторе. Подробное описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения На фиг. 1 первый вариант осуществления сепаратора в целом обозначен позицией 10. Сепаратор включает резервуар высокого давления или бак 12 и циклон 14, установленный внутри резервуара 12 на расстоянии от стенки 16 резервуара высокого давления. Резервуар 12 является, по существу, цилиндрическим с куполообразными торцами и имеет центральную вертикальную ось, обозначенную позицией 24. Циклон 14 установлен внутри резервуара 12 коаксиально. Впускной канал 18 проходит через стенку 16 резервуара 12, через внутреннее кольцевое пространство 20 между резервуаром и циклоном 14 и входит в циклон 14. Впускной канал 18 открыт в циклон 14 тангенциально и имеет такую форму, чтобы жидкости, входящие в циклон через канал, приводились во вращение, т.е. выполнен с возможностью создания режима вихревого потока или водоворота в циклоне 14. Циклон 14 также является, по существу, цилиндрическим с закрытым нижним торцом 26 и открытым верхним торцом 28. Внутренний локатор 30, также известный как вихревая опора, находится на расстоянии от нижнего торца 26 циклона, где могут аккумулироваться отделенные твердые вещества. Первый выпускной канал 22 для фазы, обогащенной нефтью, проходит через верхний торец стенки резервуара вдоль оси 24 через открытый верхний торец 28 циклона 14 и заканчивается прямо над локатором 30 на расстоянии от него, где будет существовать нефтяной слой или ядро вихря. Второй выпускной канал 32 для непрерывной водной фазы предусмотрен в основании резервуара 12 и соединен с клапанным устройством 34 контроля уровня вихря. Альтернативно выпускной канал 32 соединен с устройством контроля уровня жидкости или с устройством контроля содержания нефти в воде. Первая трубка 31 выходит от одной стороны клапанного устройства 34 контроля уровня вихря,проходит между циклоном 14 и стенкой 16 резервуара и заканчивается открытым торцом 33. Открытый торец 33 расположен выше открытого верхнего торца циклона. Вторая трубка 35 выходит от другой стороны клапанного устройства 34 контроля уровня вихря и заканчивается открытым торцом 37, по существу, на уровне основания циклона в резервуаре. Клапанное устройство 34 контроля уровня вихря управляет потоком непрерывной водной фазы из сепаратора. Выпускной канал 32 может переносить нефть через клапанные средства либо прямо в скважину ввода/сброса с помощью струйного насоса, либо в другой тип агрегата доочистки воды, такой как обезжиривающий гидроциклон жидкость/жидкость, из устройства фильтрации воды, флотационного устройства или тарельчатого сепаратора (не показан) для дополнительного уменьшения содержания нефти в пластовой воде. Также может потребоваться дополнительная дегазация воды перед сбросом в море или для повторного введения. Третий выпускной канал 36 для твердых веществ проходит через стенку 16 резервуара и оканчивается отверстием 38, направленным вниз, под внутренним локатором 30 (как показано). Выпускной канал 36, который является частью псевдоожижающего устройства 40, также включает впускной канал 42 для воды, который, когда является заполненным жидкостью при более высоком давлении, чем давление в резервуаре 12, псевдоожижает осевшие твердые вещества на днище циклона 14 и направляет их к выпускному каналу 36 для сброса или дополнительной обработки. Выпускной канал 44, главным образом для газа, предусмотрен в верхнем торце резервуара 12. Вы-2 011338 пускной канал 44 также можно использовать для контроля давления в резервуаре 12, для удаления нефти из резервуара высокого давления и для ввода газа более высокого давления при определенных обстоятельствах. В кольцевом пространстве 20 расположена кассета коалесцирующих элементов или набивочная среда 50. Коалесцирующий материал предназначен для повышения гранулометрического состава капель нефти в отделенной пластовой воде для облегчения дополнительной третичной обработки. Таким образом, коалесцирующая или набивочная среда замедляет движение капель нефти к днищу резервуара 12,тем самым создавая слой нефти, который периодически удаляют. Высвобожденная нефть поднимается в верхнюю часть сепаратора, в среднюю часть циклона, обогащенную нефтью, и выходит через выпускной канал 22 по закону Стокса. Впускной канал 46 для газа и распределительные средства 48 расположены в нижней части (у днища) резервуара 12, под циклоном 14 (как показано), через которые можно вводить газ для создания слоя мелких пузырьков для подъема кольцевого пространства между циклоном и стенкой резервуара. Это способствует отделению капель нефти от отделенной пластовой воды. Такой газ также может быть в виде конденсата (в жидком виде), который может обладать действием извлечения посредством массопереноса растворенной нефти из водной фазы, поскольку он поднимается через кольцевое пространство 20 и проходит к первому или четвертому выходным каналам 22, 44. Впускной канал 46 и распределительные средства 48 также можно использовать для введения требуемых реагентов, расслаивающих эмульсию. В процессе работы флюиды из производственной скважины или скважин направляются в сепаратор 12 через впускной канал 18, в циклоне 14 их поток становится вращающимся или вихревым. Внутренний локатор 30 захватывает и отражает ядро вихря, созданное вращательным движением флюидов в циклоне 14. Свободный газ перемещается вверх, собирается в куполообразном верхнем торце резервуара 12 и выходит из сепаратора 10 через выпускной канал 44 для газа под контролем давления. Непрерывная фаза, обогащенная нефтью, перемещается под дифференцированным контролем давления к выпускному каналу 22. Непрерывная водная фаза переливается через открытый верхний торец циклона 14 и выходит из сепаратора 10 через клапанное устройство 34 контроля уровня вихря и выпускной канал 32. Вода сначала выходит из второй трубки 35, входит в клапанное устройство 34, где устанавливается режим вихревого потока. Поток в выпускной канал 32 находится на минимуме. Когда возрастает поток воды через циклон,повышается уровень воды в резервуаре до тех пор, пока вода не начинает переливаться через первую трубку 31. Трубки 31 и 35 входят в клапанное устройство 34, расположенное тангенциально, следовательно, когда вода течет по обеим трубкам, режим вихревого потока нарушается, и вода выходит из канала 32 при максимальном потоке. Это регулирует уровень воды в сепараторе. Твердые вещества, которые оседают ниже внутреннего локатора 30, удаляются посредством псевдоожижающего устройства 40. Сепаратор 10 имеет время удерживания (продолжительность пребывания в установке) от 10 до 60 с. На фиг. 2 второй вариант осуществления сепаратора в целом обозначен позицией 60. Сепаратор 60 включает резервуар высокого давления или бак 62 и циклон 64, установленный внутри резервуара 62 на расстоянии от стенки 66 резервуара высокого давления. Резервуар 62 является, по существу, цилиндрическим с куполообразными торцами и имеет центральную вертикальную ось, обозначенную позицией 74. Циклон 64 установлен внутри резервуара 62 коаксиально. Впускной канал 68 проходит через стенку 66 резервуара 62, через внутреннее кольцевое пространство 70 между резервуаром и циклоном 64 и входит в циклон. Впускной канал 68 открыт в циклон 64 тангенциально и имеет такую форму, чтобы жидкости,входящие в циклон через канал 68, приводились во вращение, т.е. выполнен с возможностью создания режима вихревого потока или водоворота в циклоне 64. Циклон 64 также имеет, по существу, цилиндрическую верхнюю часть 72, открытый верхний торец 78, коническую нижнюю часть 76 и нижний торец 80, ведущий в выпускной канал 82 и к клапану 84,который можно периодически открывать для выпуска аккумулированных твердых веществ. Как и в первом варианте, сепаратор 60 содержит выпускной канал 85 для фазы, обогащенной нефтью, который проходит через верхний торец стенки резервуара высокого давления вдоль оси 74 через открытый верхний торец 78 циклона 64 и заканчивается примерно на половине расстояния ниже конической нижней части 76 циклона 64, где будет существовать нефтяной слой или ядро вихря. Серии щелей или отверстий 94 позволяют потоку фазы, обогащенной нефтью, пройти в выпускной канал 84. Щели 94 сконструированы таким образом, чтобы минимизировать аккумулирование газа в потоке фазы, обогащенной нефтью. Внутренний экран 86 установлен в верхнем открытом торце 78 циклона 64, он включает множество верхних газовых входов 88, т.е. трубок, которые направлены вверх к куполообразному торцу резервуара 62. Назначение внутреннего экрана 86 - обеспечить высокое соотношение аксиального потока к вращающемуся (вихревому) потоку в циклоне 64 для ускорения образования вихревого ядра, обогащенного нефтью, и для удаления свободного газа через газовые входы 88. Газовое пространство или шапка находится выше уровня жидкости в сепараторе, который обозначен позицией 92. Выпускной канал 85, также известный как погружная труба, может иметь на наружной поверхности винтовую нарезку, которая помогает газу перемещаться к газовым входам 88.-3 011338 Выпускной канал 96 для водной фазы расположен в куполообразной нижней части резервуара 62, и выпускной канал 98 для газовой фазы расположен в куполообразной верхней части резервуара. Как и в первом варианте, в кольцевом пространстве 70 расположена кассета коалесцирующих элементов или набивочная среда 100. Водная среда перетекает через открытый торец 78 циклона 64, проходит через кассету коалесцирующих элементов или набивочную среду и выходит через выпускной канал 96. Система, включающая один из сепараторов 10, 60, показана на фиг. 3. Флюиды из скважин производства углеводородов закачивают во впускной канал 16, 68 сепаратора. Насос 104 соединен с выпускным каналом 22, 85, обогащенным нефтью, и повышает давление в этом канале для питания индукторного или струйного насоса 106 достаточной движущей силой для перекачки газа из газового канала сепаратора в трубопровод 108 или в оборудование 110, расположенное ниже по потоку, в котором создается более высокое давление, чем в сепараторе. Оборудование 110 может, например, находиться на расстоянии 20 км от сепаратора 10, 60. Данная система имеет два преимущества. Первое, оборудование 110, расположенное ниже по потоку, можно поддерживать при его оптимальном рабочем давлении для питания, например, существующего газового компрессора 112, независимо от потерь давления через сепаратор и в трубопроводе 108. Это является важным при реконструкции сепарационного оборудования выше по потоку существующих технологических установок для снижения высокой обводненности нефти. Второе, систему можно использовать для снижения гидростатического давления в скважине и для повышения скорости потока из скважины, в частности, только посредством нагнетания потока, обогащенного нефтью, который будет иметь уменьшенный объем с меньшим количеством сопутствующего газа, делая систему более экономичной и простой с сохранением преимуществ субморского повышения давления. Каждый из описанных здесь сепараторов является видом компактного сепаратора, работающего со свободной водой и ударной сепарацией (удаление пластовой воды из трехфазного потока, содержащего нефть, газ и воду), который использует встроенный глухой циклон, который лучше назвать как простое циклонное устройство, имеющее тангенциальный ввод флюидов, выход для потока, обогащенного нефтью, который выходит из сепаратора, и выход для избыточного потока жидкости или перелив в открытой верхней части, доступный для непрерывного потока. Может быть предусмотрен другой выход для прерывистого или периодического использования для удаления твердых веществ. Погружная труба, которая используется для соединения с центральной осевой частью глухого циклона, может перемещаться вверх и вниз вдоль оси циклона для расположения в оптимальном месте в теле глухого циклона. На практике погружная труба или выпускной канал для фазы, обогащенной нефтью, находится при более низком давлении, чем резервуар сепаратора. Во впускном канале 18, 68 каждого сепаратора может быть дополнительно предусмотрена вставка(не показана), которая уменьшает площадь поперечного сечения впускного канала и, следовательно, увеличивает скорость потока входящих флюидов. Глухой циклон в описанном первом варианте также имеет псевдоожижающее устройство для удаления осевших твердых веществ с его днища за пределы бака циклона или резервуара высокого давления в виде суспензии для дальнейшей обработки или хранения после дегазации. Вода перемещается повышенными центробежными силами к стенке циклона, где она принуждается к подъему вверх и там переливается через верхнюю наружную стенку циклона. Важным признаком является то, что поток, обогащенный нефтью, в выпускном канале не захватывает повторно твердые вещества или газ. Сепаратором можно управлять разностью давлений и/или уровнями давлений при условии коррекции на основе определения качества воды, если требуется. В общем, сепаратор предназначен для работы при давлении, выше атмосферного, однако, он может работать и при давлении ниже атмосферного либо может быть открыт в атмосферу. Предпочтительно резервуар представляет собой герметичный резервуар высокого давления для флюидов, который может работать в неблагоприятной среде, такой как месторождения под морским дном или шельфовые месторождения нефти. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Сепаратор для разделения потока на первую жидкость, вторую жидкость, которая является более плотной, чем первая жидкость, и твердые вещества, содержащий Резервуар; циклон, установленный в этом резервуаре; впускной канал, проходящий через стенку резервуара в циклон, причем впускной канал содержит средства для вращения потока в циклоне, верхний торец циклона открыт в резервуар, и в рабочем положении вторая жидкость переливается из циклона в резервуар; первый выпускной канал для первой жидкости, выходящий из положения внутри циклона и проходящий, по существу, вдоль центральной оси циклона; второй выпускной канал для второй жидкости, выходящий от днища резервуара; и третий выпускной канал для твердых веществ, выходящий от нижнего торца циклона наружу из ре-4 011338 зервуара. 2. Сепаратор по п.1, где резервуар является, по существу, симметричным относительно его центральной вертикальной оси. 3. Сепаратор по п.1 или 2, где резервуар является цилиндрическим. 4. Сепаратор по любому из пп.1-3, где средства для вращения потока в циклоне включают формирование или установку впускного канала для направления входящего потока от центральной оси циклона. 5. Сепаратор по любому из предшествующих пунктов, где в верхней части резервуара предусмотрен выпускной канал для газа. 6. Сепаратор по любому из предшествующих пунктов, где в пространстве между циклоном и резервуаром предусмотрен фильтр. 7. Сепаратор по любому из предшествующих пунктов, где третий выпускной канал содержит псевдоожижающее устройство, расположенное в циклоне. 8. Сепаратор по п.7, где предусмотрен дополнительный канал для вывода воды в псевдоожижающее устройство. 9. Сепаратор по п.7 или 8, где вихревая опора или внутренний локатор расположены в циклоне выше псевдоожижающего устройства. 10. Сепаратор по любому из пп.7-9, где в нижней части резервуара предусмотрены впускной канал для газа и распределительные средства. 11. Сепаратор по любому из пп.7-10, где второй выпускной канал находится под контролем клапанного устройства контроля уровня вихря. 12. Сепаратор по любому из пп.1-6, где первый выпускной канал имеет щели, которые открыты в часть циклона, в которой аккумулируется первая жидкость по мере ее отделения. 13. Сепаратор по любому из пп.1-6 или 12, где у открытого торца циклона предусмотрен внутренний экран. 14. Система, включающая сепаратор, охарактеризованный в п.1, содержащая трубопровод, соединенный с первым выходным каналом сепаратора,насос в трубопроводе для повышения давления потока через первый выходной канал и индукторный или струйный насос, установленный в трубопроводе ниже по потоку от вышеуказанного насоса, который соединен с выпускным каналом для газа сепаратора. 15. Система по п.14, где трубопровод соединен с оборудованием ниже по потоку, в котором создается более высокое давление, чем в сепараторе.