Исходные данные для построения ММ

Нефтегазовый сепаратор — предназначен для отделения нефтяного газа от нефти на нефтяном промысле. Нефтегазовые сепараторы различаются геометрической формой (цилиндрическая, сферическая) и положением в пространстве (вертикальные, горизонтальные), характером проявления основных сил (гравитационные, инерционные и центробежные), величиной рабочего давления (низкого давления до 0,6 МПа, среднего — 0,6-2,5 МПа и высокого — более 2,5 МПа) и количеством разделяемых фаз. Нефтегазовые сепараторы в зависимости от назначения, конструкции и объёма, а также физико-химических свойств продукции скважин имеют пропускную способность в основном от 500 до 20 тысяч м³/сутки (по жидкости).

Технологический (гидравлический) расчет гравитационных сепараторов ведется на пропускную способность по газу и (или) по жидкости. В первом случае газ рассматривается в виде сплошной фазы (сплошного потока), поднимающейся снизу вверх в сепараторе, а жидкость – в виде отдельных капель (частиц), опускающихся в потоке газа в нижнюю часть аппарата. При расчете на пропускную способность по жидкости она рассматривается в виде сплошной фазы, а газ – в виде отдельных пузырьков, всплывающих в опускающемся или поднимающемся слое жидкости.

Применяются главным образом горизонтальные сепараторы гравитационного типа (рис.).

1 – ввод газонефтяной смеси; 2 – диспергатор; 3 – наклонные плоско­сти; 4 – жалюзийная насадка-каплеуловитель; 5 – перегородка для выравнивания потока газа; 6 – выход газа; 7 – люк; 8 – регулятор уровня; 9 – поплавковый уровнедержатель; 10 – сброс грязи; 11 – пе­регородка для предотвращения прорыва газа; 12 – сливная трубка

Рис. 1 – Горизонтальный сепаратор гравитационного типа

 

Нефтегазовая смесь, подаваемая в патрубок 1, вначале попадает в диспергатор газа 2, где происходит дробление (диспергирование) нефтегазовой смеси. Диспергирование нефти приводит к существенному увеличению поверхности контакта нефть-газ, в результате чего происходит интенсивное выделение газа из нефти. Однако глубокое отделение газа от нефти получается в том случае, когда выделившийся в трубопроводе газ отделяется от нефти до подхода к сепаратору. После диспергатора из газа под действием гравитационных сил значительная часть капельной нефти оседает на наклонные плоскости 3, а незначительная часть ее в виде мельчайших капелек уносится основным потоком газа.

Контроль пропускной способности сепараторов по нефти вызывается необходимостью уменьшения количества газа, в виде пузырьков увлекаемого нефтью из сепаратора, особенно, когда вязкость нефти или нефтяной эмульсии высокая. Количество увлекаемых пузырьков газа зависит от трех факторов: 1) вязкости нефти; 2) давления в сепараторе и 3) скорости подъема уровня нефти в сепараторе, т.е. от времени пребывания нефти в сепараторе. При одновременном увеличении вязкости нефти, поступающей в сепаратор, скорости ее подъема и давления в сепараторе, количество уносимых нефтью пузырьков газа из сепаратора будет увеличиваться.

Расчетная схема

При расчете гравитационных сепараторов по жидкости принимаются следующие допущения:
1) частица имеет форму шара;
2) движение газа в сепараторе установившееся, т.е. такое, когда скорость газа в любой точке сепаратора независимо от времени остается постоянной, но по абсолютному значению может быть разной;
3) движение частички принимается свободным, т.е. на нее не оказывают влияние другие частицы;
4) скорость оседания частицы постоянная, это тот случай, когда сила сопротивления газовой среды становится равной массе частицы.

          Q _см

                                                                                                    Q _г

                                                                                                              

                                                                                                            Q _н

                                                                    Г             

                                                W _п                            Н            D

Х

 

Q_см – объемный расход смеси, Q_г – объемный расход газа, Q_н – объемный расход нефти, W_п – скорость всплытия пузырька, Х – высота подъема границы раздела фаз нефть –газ, D – диаметр сепаратора.

Математическая модель

Условие разделения фаз при расчете сепаратора на пропускную способность по газу:

W_r ≥ V_г,                                                                      (1)

где W_r – скорость падения частицы жидкости под действием силы тяжести в неподвижной газовой среде; V_г  – скорость восходящего газового потока.

Скорость опускания частицы жидкости в восходящем потоке газа

W_оп= W_r-V_г,                                                                   (2)

Условие разделения фаз при расчете сепаратора на пропускную способность по жидкости

W_п ≥ V_ж,                                                                     (3)

где – W_п скорость всплывания газового пузырька в неподвижной жидкости; V_ж – скорость опускания или подъема слоя жидкости в сепараторе.

Скорость подъема (всплывания) пузырька газа в опускающейся жидкости

W_вс= W_п-V_ж,                                                                 (4)

в поднимающемся слое жидкости

W_вс= W_п+V_ж,                                                                                                 (5)

Скорость падения шарообразной частицы жидкости размером не более 80 мкм в неподвижном газе может быть определена по формуле Стокса:

 

W_r = (6)

где dr – размер (диаметр) частицы, м; – плотность жидкости и газа при условиях сепарации, кг/ ; – динамическая (абсолютная) вязкость газа при условиях сепарации,; g – ускорение свободного падения, м/с2;

Скорость восходящего потока газа

V_г= ,                                                                                 (7)

где Q_г – объемный расход газа в сепараторе; F – площадь сечения сепаратора в плоскости, нормальной к потоку газа.

Очевидно, что

                                                                (8)

где  – объемный расход газа, приведенный к нормальным (T 0 = 273 К) или к стандартным (T 0 = 293 К) условиям; P 0 и T 0 – атмосферное давление и нормальная (или стандартная) температура; P и T – давление и температура газа в сепараторе; Z 0 и Z – коэффициенты сверхсжимаемости газа при нормальных (стандартных) условиях и при P, T.

Отношение Z / Z 0 для условий первой ступени сепарации можно принять равным 0,95.

Скорость всплывания газового пузырька в неподвижной жидкости

W_п = ,                                                                  (9)

где d п – диаметр пузырька; μж– динамическая вязкость жидкости.

При расчете сепаратора на пропускную способность по жидкости диаметр пузырька газа можно принять равным 0,6 мм.

Скорость опускания или подъема слоя жидкости в сепараторе

V_ж= ,                                                                         (10)

где  – объемный расход жидкости.

Для заданных исходных данных определяется количество газа , поступающего в сепаратор в свободном состоянии вместе с нефтью. Для этого из общего количества газа, определяемого величиной газового фактора, вычитается объем газа, растворенного в нефти при давлении сепарации. Этот объем определяется с учетом коэффициента растворимости газа в нефти (коэффициент Генри) или по кривым разгазирования нефти.

Определяется плотность газа при температуре и давлении в сепараторе

,                                                            (11)

где –  плотность газа при нормальных или стандартных условиях.          

С учетом формул (7), (8) и условия (1) при W_r = V_г (dr = 60 мкм) определяем внутренний расчетный диаметр горизонтального гравитационного сепаратора

 ,                                                            (12)

где L – длина сепаратора – расстояние между входным и выходным патрубками сепаратора, м (можно принять L = 3 м).

Определяем пропускную способность сепараторов по жидкости

, м3/сут,                                                          (13)

где F – площадь зеркала (поверхность раздела газовой и жидкой фаз) в сепараторе.

Для горизонтального сепаратора площадь F является функцией уровня жидкости в сепараторе. При высоте подъема уровня жидкости, равной X,

F = 2L                                                              (14)

Высоту X можно принять равной 0,25 D.

Если пропускная способность сепаратора по жидкости, полученная по формуле (13), окажется меньше общего количества нефти, получаемой из скважин (по заданным условиям задачи), следует увеличить диаметр сепаратора на один размер (с проверочным расчетом).