Из нефтяных скважин в общем случае извлекается сложная смесь, состоящая из нефти, попутного нефтяного газа, воды и механических примесей (песка, окалины и пр.). В таком виде транспортировать продукцию нефтяных скважин по магистральным нефтепроводам нельзя. Во-первых, вода — это балласт, перекачка которого не приносит прибыли. Во-вторых, при совместном течении нефти, газа и воды имеют место значительно большие потери давления на преодоление сил трения, чем при перекачке одной нефти. Кроме того, велико сопротивление, создаваемое газовыми шапками, защемленными в вершинах профиля и скоплений воды в пониженных точках трассы. В-третьих, минерализованная пластовая вода вызывает ускоренную коррозию трубопроводов и резервуаров, а частицы механических примесей — абразивный износ оборудования.
Целью промысловой подготовки нефти является ее дегазация, обезвоживание, обессоливание и стабилизация.
Дегазация нефти осуществляется с целью отделения газа от нефти. Аппарат, в котором это происходит, называется сепаратором, а сам процесс разделения — сепарацией.
Процесс сепарации осуществляется в несколько этапов (ступеней). Чем больше ступеней сепарации, тем больше выход дегазированной нефти из одного и того же количества пластовой жидкости. Однако при этом увеличиваются капиталовложения в сепараторы. В связи с вышесказанным число ступеней сепарации ограничивают двумя-тремя.
Сепараторы бывают вертикальные, горизонтальные и гидроциклонные.
Глава 2. Разведка и разработка нефтяных и газовых месторождений 105
Вертикальный сепаратор представляет собой вертикально установленный цилиндрический корпус с полусферическими днищами, снабженный патрубками для ввода газожидкостной смеси и вывода жидкой и газовой фаз, предохранительной и регулирующей арматурой, а также специальными устройствами, обеспечивающими разделение жидкости и газа.
Вертикальный сепаратор работает следующим образом (рис. 2.3.17).
Газонефтяная смесь под давлением поступает в сепаратор по патрубку (1) в раздаточный коллектор со щелевым выходом (2). Регулятором давления (3) в сепараторе поддерживается определенное давление, которое меньше начального давления газожидкостной смеси. За счет уменьшения давления из смеси в сепараторе выделяется растворенный газ. Поскольку этот процесс не является мгновенным, время пребывания смеси в сепараторе стремятся увеличить за счет установки наклонных полок (6), по которым она стекает в нижнюю часть аппарата. Выделяющийся газ поднимается вверх. Здесь он проходит через жалюзийный каплеуловитель (4), служащий для отделения капель нефти, и далее направляется в газопровод. Уловленная нефть по дренажной трубе (12) стекает вниз.
Контроль за уровнем нефти в нижней части сепаратора осуществляется с помощью регулятора уровня (8) и уровнемерного стекла (11). Шлам (песок, окалина и т. п.) из аппарата удаляется по трубопроводу (9).
Достоинствами вертикальных сепараторов являются относительная простота регулирования уровня жидкости, а также очистки от отложений парафина и механических примесей. Они занимают относительно небольшую площадь, что особенно важно в условиях морских промыслов, где промысловое оборудование монтируется на платформах или эстакадах. Однако вертикальные сепараторы имеют и существенные недостатки: меньшую производительность по сравнению с горизонтальными при одном и том же диаметре аппарата; меньшую эффективность сепарации.
Горизонтальный газонефтяной сепаратор конструкции ЦКБН (рис. 2.3.18) состоит из технологической емкости (1), внутри которой расположены две наклонные полки (2), пеногаситель (3), влагоотде-литель (5) и устройство для предотвращения образования воронки при дренаже нефти (7). Технологическая емкость снабжена патрубком (10) для ввода газонефтяной смеси, штуцерами выхода газа (4) и нефти (6) и люк-лазом (8). Наклонные полки выполнены в виде желобов с от-оортовкой не менее 150 мм. В месте ввода газонефтяной смеси в сепа-Ратор смонтировано распределительное устройство (9).
106
Часть I. Основы нефтегазового дела
Рис. 2.3.17. Вертикальный сепаратор: 1 — патрубок ввода ■
газожидкостной смеси; 2 — раздаточный коллектор со щелевым
выходом; 3 — регулятор давления «до себя» на линии отвода газа;
4 — жалюзийный каплеуловитель; 5 — предохранительный клапан;
6 — наклонные полки; 7 — поплавок; 8 — регулятор уровня на линии
отвода нефти; 9 — линия сброса шлама; 10 — перегородки; 11 —
уровнемерное стекло; 12 — дренажная труба
Сепаратор работает следующим образом. Газонефтяная смесь через патрубок (10) и распределительное устройство (9) поступает на полки (2) и по ним стекает в нижнюю часть технологической емкости. Стекая по наклонным полкам, нефть освобождается от пузырьков газа. Выделившийся из нефти газ проходит пеногаситель (3), где
Глава 2. Разведка и разработка нефтяных и газовых месторождений 107
разрушается пена, и влагоотделитель (5), где очищается от капель нефти, и через штуцер выхода газа (4) отводится из аппарата. Дегазированная нефть накапливается в нижней части технологической емкости и отводится из аппарата через штуцер (6).
Рис. 2.3.18. Горизонтальный газонефтяной сепаратор конструкции ЦКБН: 1 — технологическая емкость; 2 — наклонные желоба; 3 — пеногасшпель; 4 — выход газа; 5 — влагоотделитель; 6 — выход нефти; 7 — устройство для предотвращения образования воронки; 8 — люк-лаз; 9 — распределительное устройство; 10 — ввод продукции
Для повышения эффективности процесса сепарации в горизонтальных сепараторах используют гидроциклонные устройства. Горизонтальный газонефтяной сепаратор гидроциклонного типа (рис. 2.3.19) состоит из технологической емкости (1) и нескольких одно-точных гидроциклонов (2). Конструктивно одноточный циклон представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с тангенциальным вводом газонефтяной смеси, внутри которого расположены направляющий патрубок (3) и секция перетока (4). В одноточном гидроциклоне смесь совершает одновременно вращательное движение вокруг направляющего патрубка и нисходящее движение, образуя нисходящий вихрь. Нефть под действием центробежной силы прижимается к стенке циклона, а выделившийся и очищенный от капель жидкости газ движется в его центре. В секции перетока нефть и газ меняют направление движения с вертикального на горизонтальное и поступа-ют раздельно в технологическую емкость. Далее газовый поток прохо-дит каплеотбойник (5), распределительные решетки (6) и выходит из
108
Часть I. Основы нефтегазового дела
сепаратора. Нефть по наклонным полкам (7) стекает в нижнюю часть емкости. Ее уровень поддерживается с помощью регулятора (8).
Рис. 2.3.19. Горизонтальный газонефтяной сепаратор гидроциклонного типа: 1 — емкость; 2 — однотонный гидроциклон; 3 — направляющий патрубок; 4 — секция перетока; 5 — каплеотбой-ник; 6 — распределительные решетки; 7 — наклонные полки; 8 — регулятор уровня
Обезвоживанием называется процесс отделения воды от нефти. При извлечении из пласта, движении по насосно-компрессорным трубам в стволе скважины, а также по промысловым трубопроводам смеси нефти и воды образуется водонефтяная эмульсия — механическая смесь нерастворимых друг в друге и находящихся в мелкодисперсном состоянии жидкостей.
В эмульсиях принято различать дисперсионную (внешнюю, сплошную) среду и дисперсную (внутреннюю, разобщенную) фазу. По характеру дисперсионной среды и дисперсной фазы различают два типа
Глава 2. Разведка и разработка нефтяных и газовых месторождений 109
эмульсий: «нефть в воде» и «вода в нефти». Тип образующейся эмульсии, в основном, зависит от соотношения объемов фаз, а также от температуры, поверхностного натяжения на границе «нефть-вода» и др.
Одной из важнейших характеристик эмульсий является диаметр капель дисперсной фазы, так как от него зависит скорость их осаждения.
Для разрушения эмульсий применяются следующие методы:
• гравитационное холодное разделение;
• внутритрубная деэмульсация;
• термическое воздействие;
• термохимическое воздействие;
• электрическое воздействие;
• фильтрация;
• разделение в поле центробежных сил.
Гравитационное холодное разделение применяется при высоком содержании воды в пластовой жидкости. Отстаивание производится в отстойниках периодического и непрерывного действия.
В качестве отстойников периодического действия обычно используются сырьевые резервуары, аналогичные резервуарам для хранения нефти. После заполнения таких резервуаров сырой нефтью вода осаждается в их нижнюю часть.
В отстойниках непрерывного действия отделение воды осуществляется при непрерывном прохождении обрабатываемой смеси через отстойник. Длина отстойника определяется из условия, что от нефти должны отделиться капли заданного размера.
Сущность метода внутритрубной деэмульсации заключается в том, что в смесь нефти и воды добавляется специальное вещество — де-эмульгатор в количестве 15...20 г на тонну эмульсии. Деэмульгатор разрушает бронирующую оболочку на поверхности капель воды и обеспечивает тем самым условия для их слияния при столкновениях. В последующем эти укрупнившиеся капельки относительно легко отделяются в отстойниках за счет разности плотностей фаз.
Термическое воздействие заключается в том, что нефть, подвергаемую обезвоживанию, перед отстаиванием нагревают. При нагревании, с одной стороны, уменьшается прочность бронирующих оболочек на поверхности капель, а значит, облегчается их слияние, с другой стороны, уменьшается вязкость нефти, в которой оседают капли, а это увеличивает скорость разделения эмульсии.
Нагревают эмульсию в резервуарах, теплообменниках и трубчатых печахдотемпературы 45...80 "С.
Термохимический метод заключается в сочетании термического воздействия и внутритрубной деэмульсации.
ПО Часть I. Основы нефтегазового дела
Электрическое воздействие на эмульсии производится в аппаратах, которые называются электродегидраторами. Под действием электрического поля на противоположных концах капель воды появляются разноименные электрические заряды. В результате капельки притягиваются друг к другу и сливаются. Затем они оседают на дно емкости.
Фильтрация применяется для разрушения нестойких эмульсий. В качестве материала фильтров используются вещества, не смачиваемые водой, но смачиваемые нефтью. Поэтому нефть проникает через фильтр, а вода нет.
Разделение эмульсий в поле центробежных сил производится в центрифугах, которые представляют собой вращающийся с большим числом оборотов ротор. Эмульсия подается в ротор по полому валу. Здесь она под действием сил инерции разделяется, так как капли воды и нефти имеют различные плотности.
При обезвоживании содержание воды в нефти доводится до 1...2%.
Обессоливание нефти осуществляется смешением обезвоженной нефти с пресной водой, после чего полученную искусственную эмульсию вновь обезвоживают. Такая последовательность технологических операций объясняется тем, что даже в обезвоженной нефти остается некоторое количество воды, в которой и растворены соли. При смешении с пресной водой соли распределяются по всему ее объему и, следовательно, их средняя концентрация в воде уменьшается.
При обессоливании содержание солей в нефти доводится до величины менее 0,1%.
Под процессом стабилизации нефти понимается отделение от нее легких (пропан-бутанов и частично бензиновых) фракций с целью уменьшения потерь нефти при ее дальнейшей транспортировке.
Стабилизация нефти осуществляется методом горячей сепарации или методом ректификации. При горячей сепарации нефть сначала нагревают до температуры 40...80 °С, а затем подают в сепаратор. Выделяющиеся при этом легкие углеводороды отсасываются компрессором и направляются в холодильную установку. Здесь тяжелые углеводороды конденсируются, а легкие собираются и закачиваются в газопровод.
При ректификации нефть подвергается нагреву в специальной стабилизационной колонне под давлением и при повышенных температурах (до 240 °С). Отделенные в стабилизационной колонне легкие фракции конденсируют и перекачивают на газофракционирующие установки или на ГПЗ для дальнейшей переработки.
К степени стабилизации товарной нефти предъявляются жесткие требования: давление упругости ее паров при 38 °С не должно превышать 0,066 МПа (500 мм рт. ст.).
Глава 2. Разведка и разработка нефтяных и газовых месторождений 111
2.3.5. Установка комплексной подготовки нефти
Процессы обезвоживания, обессоливания и стабилизации нефти осуществляются на установках комплексной подготовки нефти (УКПН).
Принципиальная схема УКПН с ректификацией приведена на рис. 2.3.20.
Рис. 2.3.20. Принципиальная схема установки комплексной подготовки нефти: 1, 9,11, 12 — насосы; 2,5 — теплообменники; 3 — отстойник; 4 — электродегидратор; 6 — стабилизационная колонна; 7 —; конденсатор-холодильник; 8 — емкость орошения; 10 — лечь; / — холодная «сырая» нефть; II — подогретая «сырая» нефть; III — дренажная вода; IV — частично обезвоженная нефть; V — пресная вода; VI — обезвоженная и обессоленная нефть; VII — пары легких углеводородов; VIII — несконденсировавшиеся пары; IX — широкая фракция (сконденсировавшиеся пары); X — стабильная нефть
Работает УКПН следующим образом. Холодная «сырая» нефть из резервуаров ЦПС насосом (1) через теплообменник (2) подается в отстойник непрерывного действия (3). Здесь большая часть минерализованной воды оседает на дно аппарата и отводится для дальнейшей подготовки с целью закачки в пласт (III). Далее в поток вводится пресная вода (V), чтобы уменьшить концентрацию солей в оставшейся минерализованной воде. В электродегидраторе (4) производится окончательное отделение воды от нефти и обезвоженная нефть через теплообменник (5) поступает в стабилизационную колонну (6). За счет прокачки нефти из низа колонны через печь (10) насосом (11) ее температура доводится до 240 "С. При этом легкие фракции нефти испаряются, поднимаются в верхнюю часть колонны и далее поступают в конденсатор-холодильник (7). Здесь пропан-бутановые и пентано-вые фракции в основном конденсируются, образуя так называемую широкую фракцию, а несконденсировавшиеся компоненты отводят-
112
Часть I. Основы нефтегазового дела
ся для использования в качестве топлива. Широкая фракция откачивается насосом (9) на фракционирование, а частично используется для орошения в колонне (6). Стабильная нефть из низа колонны насосом (12) откачивается в товарные резервуары. На этом пути горячая стабильная нефть отдает часть своего тепла сырой нефти в теплообменниках (2,5).
Таким образом, можно увидеть, что в УКПН производятся обезвоживание, обессоливание и стабилизация нефти. Причем для обезвоживания используются одновременно подогрев, отстаивание и электрическое воздействие, т. е. сочетание сразу нескольких методов.
