Устройство для подавления поршневого движения жидкости в жидкостно-газовой смеси, способ, осуществляемый в этом устройстве, и система откачки жидкостно-газовой смеси из подводной нефтяной скважины - RU2080148C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к методу подавления жидких поршней в многофазных трубопроводах и техническом оборудовании и отделения жидких фаз от газовой фазы в такой смеси и к устройству для его осуществления. Более конкретно, настоящее изобретение относится к методу подавления жидких поршней в технологической линии, содержащей нефтепродукты и природный газ, и к устройству для его осуществления.

При движении жидкостно-газовой смеси по горизонтальному или наклонному трубопроводу поток может принимать несколько конфигураций. При низких скоростях движения жидкости и газа поток расслаивается таким образом, что слой газовой фазы движется поверх слоя жидкой фазы. При более высоких скоростях на границе раздела фазы становится достаточно высокими, волнение может усиливаться до такой степени, что волны перекрывают поперечное сечение трубопровода и блокируют таким образом движение газового потока. Такое состояние потока названо жидким поршнем. Поскольку скорость потока газовой фазы значительно выше скорости потока жидкой фазы, движение жидких поршней ускоряется потоком газа приблизительно до скорости потока газовой фазы. Таким образом, жидкие поршни передвигаются с более высокой скоростью, чем часть потока жидкой фазы, не содержащая жидких поршней. В результате, трубопровод и техническое оборудование по ходу движения потока ощущают периодические накаты волн и удары жидких поршней. Такая пульсация вызывает огромное напряжение в трубопроводе и технологическом оборудовании.

Когда сырая нефть подается из скважин, ее обычно сопровождает природный газ, песок и другие компоненты, которые образуют смешанный многофазный поток. В условиях производства нефтегазовая смесь нередко движется со скоростью, которая способствует возникновению поршневого режима потока. Кроме того, для добычи оставшейся нефти из скважин, которые частично истощены, нередко прибегают к использованию методов поддерживания энергии пласта. Такие методы требуют нагнетания пара, газа, воды или химических веществ для форсированной добычи нефти из нефтеносных образований, обостряя тем самым проблемы образования жидких поршней, возникающие при добыче нефти.

Напряжения вызываемые жидким поршнем в нефтяных трубопроводах, являются основной причиной разрушения последних. Подобные напряжения не только разрушают трубопроводы, но и технологическое оборудование. Вибрация, резкая смена давления и характерные особенности потока вызывают коррозию в трубах и в оборудовании, расположенном по ходу движения. Чтобы свести к минимуму подобные вредные воздействия, откачка сырой нефти ведется при невысоких скоростях, которые обычно ниже, чем максимально допустимая производительность скважин. Однако с экономической точки зрения это нежелательно, поскольку рентабельность каждой скважины прямо пропорциональна ее дебиту.

Наиболее близким к предложенному устройству по технической сущности и достигаемому результату является устройство для подавления поршневого движения жидкости в жидкостно-газовой смеси, проходящей по трубопроводу, включающее соединенный с трубопроводом корпус в виде отрезка трубы с вводом смеси у передней торцевой стенки и задней торцевой стенки, расположенную вдоль корпуса горизонтально плиту торможения, выполненную с отверстиями, камеру туманов с патрубком отвода газа и камеру для сбора жидкости с патрубком отвода жидкости [1]
Наиболее близким к предложенному способу является способ, осуществляемый в известном устройстве [1] и включающий подачу смеси по трубопроводу, ввод смеси в корпусе с направлением ее на плиту торможения для замедления движения жидкости и отделения газа, перетекание жидкости в камеру для сбора жидкости, отвод жидкости из этой камеры и отвод газа из камеры туманов.

Наиболее близкой к предложенной системе является система откачки жидкостно-газовой смеси из подводной нефтяной скважины, содержащая подводную нефтяную скважину с трубопроводом и нефтесборный пункт [2]
Современные гасители поршневого движения жидкости не могут использоваться повторно. Трубопроводы, к которым они должны быть подсоединены, нуждаются в значительной переделке для удовлетворения требований, связанных с их сложными конфигурациями. Часто проводить такие дорогостоящие работы для повторного использования гасителей жидких поршней непрактично. Кроме того, размеры и вес известных на сегодня гасителей поршневого движения жидкости затрудняют их обслуживание.

Многие современные гасители поршневого движения вызывают образование пены и эмульсий в жидкостно-газовых смесях, поскольку внутри гасителей часто происходит резкая остановка движения смеси. В таких устройствах может быть использованы химические вещества, разрушающие эмульсию и осадители жидкости.

Для удаления различных отложений с внутренней поверхностью трубопровода через трубопроводы периодически проталкивают так называемые плотные "ерши". Лучшим местом для удаления ерша из трубопровода является гаситель поршневого движения. Однако, в силу сложной конструкции большинства гасителей, выполнять это не представляется возможным.

Еще одной технической операцией, которая требует сегодня дальнейшего совершенствования, является разделение жидкостно-газовых смесей на нефтесборных пунктах, расположенных в океане.

Следовательно, в области технологии ощущается потребность в гасителе поршневого потока для установки в технологическую линию, который был бы недорогим, простым в управлении и допускал бы поворотное использование, который не вызывал бы пневмообразования и образования эмульсии и который обеспечивал бы возврат ерша. Кроме того, существует потребность в жидкостно-газовом сепараторе для использования на нефтесборных пунктах, который был бы компактным и его можно было бы использовать для подавления жидких поршней.

Эти потребности удовлетворяются изобретением, которое представляет устройство для подавления поршневого движения жидкости для технологической линии, которое является недорогим, компактным, легким и удобным в обслуживании. Благодаря некоторым характеристикам настоящее устройство может быть легко установлено и демонтировано, что облегчает его повторное использование. Устройство обеспечивает равномерное постепенное замедление поршневого потока и тем самым предотвращает образование пены и эмульсии. Далее, устройство может быть оборудовано приспособлением для удаления ершей. Кроме того, настоящее изобретение также предлагает систему откачки жидкостно-газовой смеси для использования на нефтесборном пункте, которая является компактной и пригодна для подавления поршневого режима жидкости.

Устройство включает корпус, который представляет собой отрезок трубы и имеет, по меньшей мере, одно впускное отверстие для приема жидкостно-газовой смеси из трубопровода и горизонтально расположенную в корпусе плиту торможения для замедления движения жидких поршней в жидкостно-газовой смеси и для отделения газа от жидких поршней. Плита торможения расположена вдоль корпуса и имеет переднюю торцевую стенку, около которой происходит прием жидкостно-газовой смеси из впускного отверстия и множество отверстий, через которые проходит жидкость, включая приторможенную жидкости жидких поршней. Далее, устройство имеет две противолежащие переточные щели между плитой торможения и корпусом, через которые проходит жидкость, включая приторможенную жидкость жидких поршней, камеру туманов в корпусе устройства для приема отделенного газа, по меньшей мере, одно выходное отверстие в камере туманов для удаления газа из корпуса устройства, камеру для сбора жидкости в корпусе устройства для приема приторможенной жидкости и, по меньшей мере, одно выходное отверстие в камере для сбора жидкости для удаления жидкости из корпуса устройства.

Способ подавления поршневого движения жидкости в жидкостно-газовой смеси, проходящей по трубопроводу, включает подачу смеси по трубопроводу, ввод смеси в корпус с направлением ее на плиту торможения для замедления движения жидкости и отделения газа, перетекание жидкости в камеру для сбора жидкости, отвод жидкости из этой камеры и отвод газа из камеры туманов. При этом в камере для сбора жидкости производят отделение твердых частиц.

Целесообразно после отвода жидкости и газа из камер соединить потоки жидкости и газа.

Целесообразно также может быть после отвода жидкости и газа из камер потоки жидкости и газа раздельно подать на последующую обработку.

Система откачки жидкостно-газовой смеси из подводной нефтяной скважины содержит подводную нефтяную скважину с трубопроводом и нефтесборный пункт. Она снабжена расположенными на трубопроводе и нефтесборном пункте устройствами для подавления поршневого движения жидкости в жидкостно-газовой смеси, каждое из которых выполнено из корпуса в виде отрезка трубы с вводом жидкостно-газовой смеси около передней торцевой стенки и задней торцевой стенкой, размещенной вдоль корпуса горизонтально плиты торможения с отверстиями, камеры для сбора жидкости с патрубком отвода жидкости, камеры туманов с патрубком отвода газа, при этом плита торможения расположена в корпусе с образованием двух противолежащих переточных накалов.

На фиг. 1 изображено устройство для подавления поршневого движения жидкости в жидкостно-газовой смеси, проходящей по трубопроводу; на фиг. 2 - разрез устройства; на фиг. 3 сечение A-A на фиг. 2; на фиг. 4 сечение Б-Б на фиг. 3; на фиг. 5 устройство с приемником для ерша и направляющими рельсами, вид сбоку; на фиг. 6 система откачки жидкостно-газовой смеси из подводной нефтяной скважины (не в масштабе).

Устройство для подавления поршневого движения содержит корпус 1 с передней торцевой стенкой 2, вводом смеси 3 из трубопровода 4. Корпус 1 выполнен в виде отрезка цилиндрической трубы из любого твердого материала, имеющего высокие антикоррозионные свойства, например, нержавеющей стали. Для удобства установки и демонтажа общая длина корпуса 1 должна быть равна длине части трубопровода, вместо которой предполагается установить устройство.

Внутри корпуса 1 расположена плита торможения 5 для замедления движения жидкостно-газовой смеси и для отделения газа из жидких поршней. Желательно, чтобы плита торможения 5 была расположена вдоль всей длины корпуса 1. Плита торможения 5 может быть закреплена на передней торцевой стенке 2 и задней стенке 6 корпуса 1 с помощью обычной сварки или используя болтовое соединение. В качестве альтернативного способа плита торможения 5 может быть установлена на отбойные перегородки 7 и/или прикреплена к ним. Предпочтительный материал для плиты торможения 5 нержавеющая сталь 316. Однако может быть использован любой коррозируемый материал. Желательно, чтобы плита торможения 5 была расположена практически в горизонтальной плоскости. В таком случае наибольшая часть поверхности плиты торможения 5 располагается параллельно направлению движения жидкостно-газовой смеси, поступающей из ввода 4.

Далее на плите торможения 5 имеется множество отверстий 8, через которые проходит жидкость, включая приторможенную жидкость жидких поршней. Поскольку плита торможения 5 расположена практически в горизонтальной плоскости, жидкость проходит через отверстия 8 самотеком. Желательно, чтобы отверстия 8 имели достаточное проходное сечение для свободного прохода жидкости через отверстия благодаря поверхностному натяжению и не препятствовали уходу газа в противоположном направлении.

Однако проходное сечение отверстий не должно быть настолько большим, чтобы вся или большая часть жидкости, находящейся вблизи ввода 3 уходила через эти отверстия. Размер отверстий 9 должен быть подобран таким образом, чтобы обеспечить баланс между вышеупомянутыми положениями. Было установлено, что предпочтительным размером и формой для обеспечения данного баланса является круглое отверстие с диаметром один дюйм. Общее количество отверстий 8, расположенных на плите торможения 5, зависит от ожидаемой максимальной скорости прохождения жидкости через устройство без "захлебывания" плиты торможения 5 в случае крупного жидкого поршня. Далее для защиты от "захлебывания" между двумя краями 9 плиты торможения 5 и поверхностью внутреннего диаметра корпуса 1 предусмотрены два продольных передаточных канала 10, через которые проходит жидкость, включая приторможенную жидкость жидких поршней
Желательно, чтобы диаметр корпуса 1 был больше диаметра трубопровода 4, но лучше, если диаметр корпуса 1 в шесть раз больше диаметра трубопровода 4. Именно такой диаметр обеспечивает наличие необходимого пространства в корпусе 1 для размещения плиты торможения 5 с достаточной площадью поверхности для приема и замедления движения самых крупных жидких поршней.

Устройство содержит также камеру туманов 11 с патрубком 12 отвода газа, камеру для сбора жидкости 13 с патрубком 14 отвода жидкости.

Желательно, чтобы плита торможения 5 имела панель торможения 15, расположенную напротив ввода 3. Панель торможения 15, расположенную напротив ввода 3. Панель торможения 15 предохраняет заднюю торцевую стенку 6 корпуса 1 от ударов и разрушения остатками особо крупных жидких поршней. В качестве альтернативы корпус 1 может быть слегка наклонен таким образом, чтобы задняя торцевая стенка 6 была расположена выше передней торцевой стенки 2. При таком положении корпуса 1 жидкая фаза жидкостно-газовой смеси быстрее замедляет свое движение и тем самым также предохраняет заднюю торцевую стенку 6 от ударов особо крупных жидких поршней.

В камере для сбора жидкости 13 желательно установить отбойные перегородки 7 с отверстиями для ослабления силы волн и для осаждения всевозможных твердых частиц из приторможенной жидкости.

На фиг. 5 представлено устройство с нестандартными элементами для захвата ерша. Приемник 16 для захвата и возврата ерша (не показан) может быть установлен на корпусе 1.

Выше упоминалось, что ерш это плотно подогнанный предмет, периодически вводимый в трубопровод для удаления различных отложений с его внутренней поверхности. Для направления ерша в его приемник 16 на плите торможения 5 установлены два параллельных рельса 17 (показан только один рельс). Расстояние между рельсами 17 равно внутреннему диаметру трубопровода 4. Приемник для ерша 16 желательно устанавливать на заднюю торцевую стенку 6 корпуса 1.

Устройство снабжено трубой 17, соединяющей патрубки отвода газа и жидкости (фиг. 6) оно соединяется с подводной скважиной 18 и может быть размещено на буровой платформе 19 нефтесборного пункта.

Устройство работает следующим образом.

Жидкие поршни в жидкостно-газовой смеси, двигаясь по трубопроводу 4, поступают в корпус 1 через ввод 3. При вхождении в корпус 1 жидкие поршни отделяются от поверхности трубы и сразу же начинают принимать вид расслоенной в основном, жидкий пленки на плите торможения 5. Площадь поперечного сечения потока на плите торможения 5 значительно больше, чем аналогичная площадь трубопровода 4. Более того, массовая скорость потока жидкой фазы в корпусе остается постоянной, как должно быть, поскольку никакой жидкости там не создается, не добавляется и никакая жидкость не выбрасывается. Соответственно, и линейная скорость потока или скорость потока жидкой фазы смеси будет обратно пропорциональна увеличению площади поперечного сечения потока на плите торможения 5 по сравнению с площадью поперечного сечения трубопровода 4. В результате, скорость потока жидкой фазы жидкостно-газовой смеси на плите торможения 5 будет существенно уменьшаться, но не резко. Замедление скорости движения жидкой фазы вызывает мгновенный распад жидких поршней и тем самым предотвращает разрушение трубопровода и оборудования далее по ходу движения потока. Кроме того, газовые мешки позади жидких поршней уходят в камеру туманов 11.

После того как скорость жидких поршней падает почти до нуля из них отделяется ранее увлеченный газ. Приторможенная жидкость через отверстия 8 и через каналы попадает в камеру для сбора жидкости 13, в то время как освобожденный газ поднимается выше плиты торможения 5 и уходит в камеру туманов 11.

Таким же образом происходит разделение потока жидкой фазы жидкостно-газовой смеси, не находящейся в жидких поршнях и свободной от газовой фазы. В то время как жидкость, не находящаяся в жидких поршнях, разливается в виде пленки, замедляет свое движение и через отверстия 8 и боковые каналы 10 стекает в камеру для сбора жидкости 13, свободный газ поднимается выше плиты торможения 5 и уходит в камеру туманов 11. Таким образом, кроме эффективного подавления жидких поршней, устройство производит эффективное отделение жидкой фазы смеси от газовой фазы. Процесс проходит постепенно без образования пены и эмульсий.

При осуществлении способа также обеспечивается отделение твердых частиц в камере для сбора жидкости 13. Газовую фазу удаляют из устройства по патрубку 12, а жидкую фазу по патрубку 14. Обе фазы могут вновь соединяться в трубе 17. После эффективного подавления жидких поршней вновь восстановленная жидкостно-газовая смесь представляет собой ламинарный поток или хорошо регулируемый поршневой поток. Если обе фазы не соединять после прохождения корпуса 1, то в этом случае устройство не только обеспечит подавление поршневого движения жидкости в смеси, но и обеспечит дальнейшую раздельную обработку фаз.

Система откачки жидкостно-газовой смеси из подводной нефтяной скважины с применением данного устройства работает следующим образом.

Устройство посредством трубопровода 4 соединено с подводной нефтяной скважиной 18. Вдоль трубопровода 4 может быть установлено одно или несколько устройств для подавления поршневого движения в местах, где наиболее вероятно возникновение жидких поршней. Для предотвращения разрушения таких участков желательно устанавливать устройство перед таким участком. В корпусе 1 устройства происходит подавление поршневого движения жидкости и разделение газовой и жидкой фаз. Газовая фаза удаляется по патрубку 12, а жидкая по патрубку 14. Далее они могут соединяться посредством трубы 17 и поступать в продолжение трубопровода 4.

Если в трубопроводе при дальнейшем течении потока вновь возникают условия, вызывающие образование жидкого поршня в жидкостно-газовой смеси, то могут быть установлены дополнительные устройства для подавления поршневого движения. Благодаря этому поток в трубопроводе может поддерживаться в расслоенном состоянии и возможность разрушения и коррозии трубопровода 4 и вспомогательного оборудования сводится к минимуму. Таким образом, с помощью устройства можно осуществлять перекачку нефти на большие расстояния как, например, от отдаленных экономически граничных месторождений до имеющихся нефтесборных пунктов. Такое устройство позволяет вести выгодную добычу нефти на экономически граничных месторождениях при минимальных затратах капитала, необходимых в этом случае, поскольку строительство и установка новых дорогостоящих буровых платформ на месторождениях с ограниченными запасами являются нецелесообразными.

Оценивая настоящее устройство, можно сказать, что оно уникально подходит для этой цели, поскольку оно легкое и дешевое в силу своей простой конструкции; его установка и демонтаж не представляют сложности, так как общая длина устройства может составлять лишь длину отрезков трубы трубопровода 4.

Далее жидкость поступает в корпус 1 устройства, установленного на палубе буровой платформы 19. Жидкостно-газовая смесь, содержащая нефть и природный газ, поступает в корпус 1. В этом случае устройство выполняет две функции: оно эффективно подавляет поршневой поток жидкости, проходящей по трубопроводу 4, чтобы предохранитель оборудование на буровой платформе 19 от возможного разрушения, и отделяет жидкую фазу жидкостно-газовой смеси от газовой фазы, чтобы обеспечить раздельную обработку обеих фаз на буровой платформе 19. В последнем случае газовая фаза удаляется из устройства через патрубок 12, а жидкая фаза удаляется через патрубок 14. Размещение устройства экономит ценное пространство на палубе буровой платформы 19, тем что устраняется необходимость как в гасителе поршневого движения, так и в сепараторе и тем, что размеры его значительно меньше размеров в существующих на сегодняшний день обычных сепараторов, устанавливаемых на буровых платформах. Длина устройства может быть от 1,8 до 3 м. Диаметр настоящего устройства зависит от диаметра трубопровода, к которому оно подсоединяется. В качестве примера можно упомянуть, что для трубы с диаметром 0,15 м предпочтительный диаметр устройства будет составлять от 0,3 до 1,9 м. При сравнении с размером обычных сепараторов 6 х 244 м, устанавливаемых на нефтесборных пунктах, экономия пространства при использовании настоящего устройства становится достаточно очевидной.

Реферат

Использование: метод и устройство для эффективного подавления поршневого движения жидкости и вследствие этого отделения жидкой фазы жидкостно-газовой смеси от газовой фазы. Сущность изобретения: плита торможения, находящаяся внутри корпуса, замедляет движение жидких поршней и тем самым обеспечивает отделение газа. Приторможенная жидкость проходит через отверстия плиты торможения и затем удаляется из корпуса, в то время как отдельный газ поднимается поверх плиты торможения и отдельно удаляется из корпуса. Потоки жидкой и газовой фаз могут быть воссоединены вновь или они могут оставаться в разъединенном состоянии для последующей обработки. 3 с. и 7 з. п. ф-лы, 6 ил.

Формула