- сепараторы с предварительным отбором газа: раздельный ввод жидкости и газа в аппарат увеличивает пропускную способность данных аппаратов по жидкости и газу;
6. по рабочему давлению:
высокого давления 6 МПа;
среднего давления 2,5 - 4 МПа;
низкого давления до 0,6 МПа;
вакуумные (давление ниже атмосферного) .
Рис. 15. Схема вертикального сепаратора
5.1.2 Принципиальное устройство сепараторов
Нефтегазовая смесь под давлением через патрубок поступает к раздаточному коллектору, имеющему по всей длине щель для выхода смеси (рис.15). Из щели нефтегазовая смесь попадает на наклонные плоскости, увеличивающие путь движения нефти и облегчающие выделение окклюдированных пузырьков газа. В верхней части сепаратора установлена каплеуловительная насадка жалюзийного типа. Капли нефти, отбиваемые в жалюзийной насадке, стекают в поддон и по дренажной трубе направляются в нижнюю часть сепаратора. За насадкой по ходу потока газа установлена перегородка с большим числом отверстий, выполненных по принципу пропуска равных расходов, выравнивающая скорость движения газа.
В сепараторе любого типа различают четыре секции. Рассмотрим их на примере вертикального гравитационного сепаратора (рис.20).
I - основная сепарационная секция, служащая для отделения нефти от газа; на работу этой секции большое влияние оказывает конструкция ввода продукции скважин (тангенциальный, радиальный, использование насадок-диспергаторов, диспергирующих газожидкостный поток и создающих высокую поверхность раздела фаз, увеличивая дисперсность системы. В результате этого происходит интенсивное выделение газа из нефти).
II - осадительная секция, в которой происходит дополнительное выделение пузырьков газа, увлеченных нефтью из I секции. Для более интенсивного выделения окклюдированных пузырьков газа, нефть направляют тонким слоем по наклонным плоскостям, увеличивая тем самым длину пути движения нефти и эффективность ее сепарации. Наклонные плоскости могут быть изготовлены с небольшим порогом, способствующим выделению газа из нефти (это происходит благодаря разрушению газо-жидкостных структур за счет волнового движения).
III - секция сбора нефти, занимающая самое нижнее положение в сепараторе и предназначенная для сбора и вывода нефти из сепаратора; нефть может находиться здесь или в однофазном состоянии или в смеси с газом - в зависимости от эффективности работы I и II секций.
Слой пены оказывает значительное сопротивление выделению газа из всплывающих пузырьков.
Поэтому продолжительность пребывания нефти в сепараторе при наличии слоя пены в сепараторе может быть увеличена в несколько раз. При достижении определенной высоты пена может подхватываться потоком газа и уноситься из сепаратора. Замечено, что тяжелые нефти более склонны к пенообразованию, чем легкие.
IV- каплеуловительная секция расположена в верхней части сепаратора и служит для улавливания мельчайших капелек жидкости, уносимых потоком газа. Каплеуловительная секция конструктивно может быть различной и работа ее может основываться на одном или нескольких принципах, например:
- столкновение потока газа с различного рода препятствиями: прилипание капель жидкости, силы адгезии;
- изменение направления потока: силы инерции;
- изменение скорости потока;
- использование центробежной силы;
- использование коалесцирующей набивки (металлические сетки) для слияния мелких капель жидкости в более крупные.
Итак:
Перемещаясь в сторону пониженного давления, газ в виде пузырьков, расширяющихся и соединяющихся в более крупные, увлекает нефть и, в то же время, опережает ее. Процесс этот продолжается до входа в сепаратор. Перед входом в сепаратор продукция скважины всегда состоит из двух фаз - жидкой и газовой. Соотношение между объемами фаз зависит от состава нефти в пластовых условиях, давления насыщения и давления в сепараторе.
Если, например, в скважину поступает из пласта нефть, то к нефтегазовому сепаратору подойдут газ, выделившийся из нефти вследствие снижения давления от давления насыщения до давления, установленного в сепараторе, и оставшаяся нефть с окклюдированным газом, т.е. пузырьками газа, захваченными нефтью или не успевшими из нее выделиться.
Основной процесс в нефтегазовом сепараторе - отделение свободного газа и выделение из нефти окклюдированного газа.
Кроме сепарации газа в сепараторе происходят и другие процессы: очистка газа от частиц жидкости и подъем пузырьков газа окклюдированных в слое нефти, находящейся в секции сбора жидкости.
Из всех типов сепараторов (гравитационные, инерционные (жалюзийные), центробежные и ультразвуковые) сравнительно легко поддаются расчету только гравитационные, жалюзийные и гидроциклонные.
5.1.3 Расчет гравитационного сепаратора на пропускную способность по газу и жидкости
Расчет количества газа, выделившегося по ступеням сепарации
Суммарное количество газа (свободного и растворенного), содержащегося в нефти и поступающего на первую ступень сепарации, определяется по формуле:
(9)
Количество газа, оставшегося в растворенном состоянии в нефти VР и поступающего из первой ступени во вторую, согласно закону Генри, равно:
(10)
Дебит отсепарированного газа на первой ступени будет равен:
(11)
Дебит свободного газа, отсепарированного на второй ступени, будет равен:
и т.д. (12)
Обозначения:
VГ - количество газа, поступающего из скважины, м3/сут;
Г - газовый фактор, м3/ м3;
QН - дебит нефти, м3/сут;
V1, V2…- количество газа, сепарируемого соответственно при давлениях Р1, Р2…, м3/сут;
б- коэффициент растворимости газа в нефти при температуре и давлении в сепараторе, м2/н;
Р1, Р2…- давления на первой, второй и т.д. ступенях сепарации, Па.
Коэффициент растворимости газа в нефти б при давлениях выше 9,81Ч105 Па (10 кГс/см2) обычно изменяется линейно. Величины б для давлений сепарации меньших 10 кГс/см2, будут сильно зависеть от давления. Поэтому для точных определений необходимо иметь кривую изменения б от давления, построенную на основе анализа глубинной пробы нефти соответствующей скважины.
Расчет вертикального гравитационного сепаратора по газу
Еще до входа в сепаратор газ, выделившийся из нефти в результате снижения давления, представляет полидисперсную систему, в которой собственно газ является дисперсионной средой, а частицы нефти (и воды при наличии ее в продукции скважины), диспергированные в газе - дисперсионной фазой. Такую дисперсную систему называют аэрозолем.
В сепараторе диспергирование нефти увеличивается вследствие расширения потока, удара нефти о внутренние поверхности нефтегазового сепаратора и расширения газа. Вследствие этого в сепарационной и осадительной секциях дисперсность системы увеличивается. Частицы дисперсной фазы имеют различные размеры - от характерных для тумана и пыли до более крупных. Последние относительно быстро опускаются вниз вместе с основной массой нефти, более мелкие могут образовывать псевдоожиженный или кипящий слой различной высоты, а самые мелкие частицы увлекаются потоком газа из нефтегазового сепаратора.
Осаждение частиц из газа в гравитационном сепараторе происходит в основном по двум причинам: вследствие резкого снижения скорости газового потока и вследствие разности в плотностях газовой и жидкой (твердой) фаз.
Для эффективной сепарации необходимо, чтобы расчетная скорость движения газового потока в сепараторе была меньше скорости осаждения жидких и твердых частиц, движущихся под влиянием силы тяжести во встречном потоке газа, т.е.
.
Высокую степень очистки газа от капельной и твердой взвеси в гравитационном сепараторе можно получить при условии, что скорость газа будет близка к нулю. В реальных условиях эффективность сепарации в гравитационных сепараторах при скорости движения газа более 0,5 м/сек резко падает и составляет лишь 70% капельной жидкости, находящейся во взвешенном состоянии.
Практика эксплуатации гравитационных сепараторов показала, что оптимальной скоростью газа является 0,1 м/с при давлении 5,87 МПа/м2 (60 кГс/см2).
Пропускную способность гравитационных сепараторов обычно определяют в зависимости от допустимой скорости движения газа, при которой происходит осаждение капелек жидкости минимального размера, принятого для расчета. Допустимая скорость движения газа WГ определяется из условия равновесия сил, действующих на частицу, и силы сопротивления среды, возникающей при движении этой частицы.
При расчете гравитационных сепараторов по газу принимаются следующие допущения:
1) частица (твердая или жидкая) 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.
Исходя из принятых допущений, рассмотрим силы действующие на частицу, осаждающуюся в газовой среде:
1)
где m - масса частицы; g - ускорение силы тяжести, м/с2; сч - плотность частицы.
Поскольку частица шарообразна, ее объем равен
где d - диаметр частицы.
Тогда :
(13)
2) Силу сопротивления газа R при свободном оседании частицы можно представить в следующем виде:
где о - коэффициент сопротивления среды, являющийся функцией критерия Рейнольдса;
сГ - плотность газа, кг/м3;
WЧ - линейная скорость частицы, м/с;
SЧ - площадь сечения частицы, р·d2/4.
3) Исходя из 4-го допущения, в момент, когда R уравновесит силы тяжести и частица будет двигаться равномерно FТЯЖ - FА- R = 0, (14) ускорение равно нулю.
Т.е. исходя из равновесия сил, действующих на частицу, можно записать: Р = R.
Отсюда:
(15)
Из этого уравнения можно определить коэффициент сопротивления о:
. (16)
Для ламинарного движения частиц (Rе < 2) коэффициент сопротивления рассчитывается по формуле:
(17)
где нг - кинематическая вязкость газа:
(18)
т.е. сопротивление среды пропорционально вязкости;
мг - динамическая вязкость газа, , Па * с.
Если подставить (5) и (5') в формулу (4) для о:
, (19)
то отсюда можно получить уравнение для расчета скорости оседания шарообразной частицы в газовой среде (формула Стокса):
(20)
где мг - динамическая вязкость газа, (Па·с);
d - диаметр частицы, м;
сч - плотность частицы в условиях сепаратора, кг/м3;
нг- кинематическая вязкость газа в условиях сепаратора, м2/с.
В промысловых сепараторах Rе для частицы значительно выше, чем 2.
При значениях числа Rе от 2 до 500 зависимость коэффициента сопротивления о представляется эмпирическим уравнением:
. (21)
Подставляя данное уравнение в формулу (4), получаем формулу Аллена:
, (22)
из которой следует, что влияние вязкости среды на скорость оседания частицы снижается.
Для турбулентного режима движения при значениях числа Rе более 500 (до 2·105), коэффициент сопротивления о для шарообразной частицы становится постоянным и равным 0,44. Подставляя это значение в формулу (16), получим уравнение Ньютона-Ритингера:
, (23)
из которого следует, что вязкость среды не оказывает влияния на скорость оседания частицы.
Как определить скорость потока газа?
Пропускная способность вертикального сепаратора по газу определяется в зависимости от допустимой скорости движения газа:
(24)
где V- пропускная способность по газу при Н.У., т.е.:
P0 = 1,033 . 9,81·104, Па = 1,01·105, Па = 0,1013 МПа;
Т0 = 273 К;
- внутренняя площадь сечения вертикального сепаратора, м2;
D - внутренний диаметр сепаратора, м;
Р - давление в сепараторе, Па;
Т - абсолютная температура в сепараторе, К;
Z - коэффициент, учитывающий отклонение реального газа от идеального при рабочих условиях в сепараторе.
WГ - скорость подъема газа в вертикальном сепараторе, м/с.
Отсюда:
(25)
Итак, выпадение частицы происходит при условии WЧ - WГ > 0.
На практике при расчетах применяется
. (26)
Подставив выражения скоростей в данное уравнение, получаем:
(27)
или (28)
По этой формуле можно определить пропускную способность V вертикального сепаратора, если задаться минимальным диаметром капелек жидкости d, которые будут осаждаться при выбранных условиях (Р, Т), и диаметром сепаратора D. Обычно принимают d = 10- 4 м.
Расчет вертикального гравитационного сепаратора по жидкости
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.