Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов подготовки компонентов продукции скважин и пути их совершенствования 9
1.1 Подготовка нефти 9
1.1.1 Методы подготовки нефтей с высоким содержанием серы. 10
1.1.2 Методы подготовки нефтей с невысоким содержанием серы. 11
1.2 Очистка газа 12
1.3 Очистка сточных вод 14
1.3.1 Оценка современного состояния подготовки сточных вод. 14
1.3.2 Современные научные представления о механизмах разделения газожидкостной смеси и необходимой степени очистки сточных вод на промыслах 15
1.3.3 Методы очистки воды 17
1.3.4 Методы очистки и конструкции для очистки сточных вод на промыслах 23
1.3.5 Технологические схемы, реализующие очистку сточных вод на промыслах 27
Выводы по разделу 33
2. Экспериментальные исследования закономерностей процесса разделения систем типа вода-механические примеси-нефть в трехпродуктовых гидроциклонах 34
2.1 Устойчивость агрегативного состояния механических и нефтяных примесей в поле центробежных сил 34
2.2 Гидродинамические характеристики закрученного потока сплошной фазы 39
2.3 Влияние конструктивных и технологических параметров работы трехпродуктовых гидроциклонов на их расходные характеристики и величину разрежения в центре закрученного потока 48
2.3.1 Влияние конструктивных особенностей гидроциклона на структуру потока и его производительность 48
2.3.2 Исследование разрежения в центре закрученного потока 53
2.4 Анализ эффективности процесса разделения на искусственно приготовленных нефтесодержащих сточных водах в гидроциклонах различных конструкций 56
Выводы по разделу 63
3 Интенсификация процессов подготовки продукции скважин и ее компонент гидроциклонированием 65
3.1 Перспективы применения гидроциклонов в системе подготовки скважин 65
3.2 Интенсификация процессов подготовки нефти с применением поля центробежных сил 68
3.2.1 Влияние конструктивных параметров гидроциклона на процесс стабилизации нефти 68
3.2.2 Расчет гидроциклонного сепаратора для стабилизации нефти 69
3.2.3 Методика расчета гидроциклонного сепаратора для стабилизации нефти 74
3.2.4 Ступенчатый гидроциклон для подготовки нефти 75
3.2.5 Расчет эффективности выделения газовой компоненты в сливной камере ступенчатого гидроциклона 76
3.3 Применение гидроциклонов в системе подготовки сточных вод 81
3.3.1. Вихревые сепараторы и гидроциклоны для очистки сточных вод от углеводородов и механических примесей 81
3.3.2 Оценка эффективности действия центробежных сил при отделения твердых частиц в мультигидроциклоне 83
Выводы по разделу 87
4 Совершенствование методов и интенсификация процессов очистки сточных вод при подготовке продукции скважин 89
4.1 Пути совершенствования существующих схем и интенсификации процессов очистки сточных вод 89
4.2 Применение гидроциклонов, тангенциальных форм вводных устройств для интенсификации процесса очистки сточных вод 90
4.2.1 Усовершенствованная система предварительного сброса пластовой воды на месторождениях 90
4.2.2. Мультигидроциклоны в технологических схемах очистки сточных вод 94
4.2.3 Устройство для очистки нефтесодержащих сточных вод 96
4.3 Очистка сточных вод в поле естественной гравитации 98
4. 3.1 Отстойник для очистки нефтесодержащих вод с коалесцирующими фильтрами 99
4.3.2 Очистка нефтесодержащих сточных вод в резервуарах-отстойниках и водосборниках с использованием гидрофобного материала 100
4.4 Очистка сточных вод методом флотации 103
4.4.1 Устройство для флотационной очистки сточных вод 104
4.4.2 Улавливание нефти из потока пластовых вод 106
4.4.3 Устройство для очистки нефтесодержащих дренажных вод. 110
4.5 Очистка нефтесодержащих сточных вод в электрическом поле. 112
Выводы по разделу 114
Основные выводы и рекомендации 115
Список использованных источников 118
- Методы очистки воды
- Анализ эффективности процесса разделения на искусственно приготовленных нефтесодержащих сточных водах в гидроциклонах различных конструкций
- Оценка эффективности действия центробежных сил при отделения твердых частиц в мультигидроциклоне
- Улавливание нефти из потока пластовых вод
Введение к работе
Актуальность проблемы
Плохая экологическая обстановка в мире, угроза общей экологической катастрофы предъявляют повышенные требования к обеспечению чистоты технологических процессов, и в первую очередь это касается опасных и загрязняющих природу производств. Существенный вклад в обострение этой проблемы вносит нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая промышленность. В процессе добычи и подготовки нефти и газа загрязняются как воздушный, так и водный мировой бассейн. В связи с этим возрастают нормативные требования к качеству подготовки целевой продукции (нефти, газа), требования к полноте использования и чистоте попутно добываемых компонентов (попутного газа, воды), сжигаемых или возвращаемых в природу. Все более ограничивается содержание в продуктах вредных компонентов, таких как сероводород, меркаптаны. Принято решение о полной утилизации попутного газа, сжигавшегося ранее в больших объемах на факелах. Для удовлетворения требований потребителей необходима его очистка от сероводорода и меркаптанов и более глубокая стабилизация нефти.
Особой проблемой становится очистка сточных вод.
Очистка воды является элементом общей подготовки продукции скважин как одной из ее возможных компонентов.
Требования к качеству подготовки воды диктуются не только экологией подземного водного бассейна, но и большой зависимостью нефтеотдачи пласта от содержания примесей в водах, закачиваемых в пласт. Использование в системе поддержания пластового давления (ППД) зараженной воды может привести к образованию в пластах кислых газов, усугубляя проблему загрязнения окружающей среды и подготовки добываемой продукции.
Экологические и технологические требования определяют актуальность указанных проблем, а экономические возможности ограничивают пути их решения, которые могут быть достигнуты как разработкой новых технических средств, технологий, реагентов, так и совершенствованием существующих.
Цель работы – интенсификация процессов разделения продукции скважин и очистки ее компонентов до современных требований, необходимых для их утилизации.
Для решения поставленной цели были сформулированы следующие основные задачи:
1. выполнить анализ технологических схем, способов и средств подготовки продукции скважин с целью выявления путей их совершенствования и интенсификации процесса с учетом текущих требований на основе современных научных представлений о механизмах разделения полидисперсных сред;
2. провести исследования влияния технологических параметров и конструктивных характеристик гидроциклонов (ГЦ) на их разделяющую способность и формирование структур потока;
3. выявить технологические и гидродинамические особенности использования гидроциклонов в системе подготовки продукции скважин на различной стадии ее прохождения;
4. разработать предложения по подбору гидроциклонов, их конструктивных параметров, выбору режимов; методики расчета гидроциклона и расчета эффективности выделения газовой компоненты в сливной камере гидроциклона в системе промысловой подготовки продукции скважин;
5. оценить перспективность использования традиционного оборудования и технологий в системе подготовки продукции скважин в технологических схемах с гидроциклонами и разработать предложения по их совершенствованию.
Методы решения поставленных задач
Поставленные в диссертационной работе задачи решены путем анализа и обобщения данных научных публикаций, опыта подготовки нефти и газа в нефтяной и газовой промышленности, теоретических исследований, лабораторных экспериментов и испытаний на опытной пилотной установке.
Научная новизна результатов работы:
1. разработана методика расчета гидроциклонного сепаратора для стабилизации нефти;
2. разработана методика расчета эффективности выделения газовой компоненты в сливной камере ступенчатого гидроциклона;
3. выявлены механизмы формирования структур потоков, разделения многофазных полидисперсных сред в гидроциклонах и возможность управления ими.
На защиту выносятся:
1. анализ действия механизмов разделения полидисперсных сред в гидроциклоне, формирования структур потока, возможности управления ими и разделяющей способностью гидроциклона;
2. методика расчета гидроциклонного сепаратора для стабилизации нефти;
3. методика расчета эффективности выделения газовой компоненты в сливной камере ступенчатого гидроциклона;
4. обоснование принципа подбора мультигидроциклона и геометрии его конструктивных элементов для разделения многофазных газожидкостных и полидисперсных сред с включениями твердых взвешенных частиц (ТВЧ) и нефтяных примесей для последовательной реализации механизмов их разделения в мультигидроциклонах.
Практическая ценность результатов работы
1. Разработаны предложения по дополнению технологической схемы подготовки продукции скважин, осуществляющей разделение основных составляющих (нефти и газа) и очистку воды, гидроциклонами, интенсифицирующими процессы или осуществляющими их в зависимости от компонентного состава среды, качества разделения среды и места в технологической схеме.
2. Разработаны:
- методики расчета гидроциклонного сепаратора для стабилизации нефти и оценки эффективности выделения газовой составляющей;
- конструкция вихревого сепаратора для глубокой очистки сточных вод от легких примесей;
- формула для расчета производительности и конструкция гидроциклонного сепаратора для очистки сточных вод от механических примесей.
3. Разработан ряд предложений, совершенствующих существующие традиционно используемые устройства и методы, из которых 3 защищены патентами Российской Федерации.
Достоверность результатов проведенных исследований
Обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций следует из проведенного автором комплекса теоретических, экспериментальных и промысловых исследований. Достоверность полученных автором результатов подтверждается соответствием теоретических выкладок фактическим промысловым данным и результатам экспериментальных исследований.
Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на:
- методических советах, заседаниях секции Ученого совета и семинарах Института проблем транспорта энергоресурсов (2008-2009 гг.);
- VII Российском энергетическом форуме (г. Уфа, 2007 г.);
- Второй научно-практической конференции «Проблемы нефтегазового комплекса Западной Сибири и пути повышения его эффективности» (г. Когалым, 2006 г.).
Публикации
Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в т.ч. получены 3 патента на полезную модель РФ.
Структура и объем работы
Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка литературы, включающего 87 наименований. Диссертационная работа содержит 4 таблицы, 30 рисунков.
Методы очистки воды
Для оценки возможностей современного уровня очистки вод рассмотрим существующие и действующие в производственной практике методы, которые по их основному принципу разделяются на механические, физико-химические, биологические и термические.
На рисунке 1.1 дана классификация методов очистки сточных вод по дисперсно-фазовой составляющей и химическому составу примесей. Ввиду многочисленности примесей и их сложного состава методы очистки сточных вод, как правило, применяются комплексно.
Механические методы включают в основном отстаивание, осветление и фильтрацию [17]. Эти наиболее доступные приемы очистки от крупнодисперсных взвесей применяются как первая стадия очистки сточных вод. Для этих целей применяется типовое оборудование - отстойники, решетки, фильтры. Проводят также очистку от грубых и тонких взвесей в гидроциклонах и центрифугах различных типов.
Физико-химические методы применяются для очистки сточных вод от мелкодисперсных, коллоидных и растворенных веществ [18]. Это флотация, коагуляция и флокуляция, экстракция растворителями, дистилляция и ректификация, адсорбция, обратный осмос и др.
Флотация применяется для очистки от грубо- и мелкодисперсных взвесей [19].
Принцип флотационной очистки также как и при обогащении твердого сырья, заключается в образовании комплексов частица - пузырек воздуха, всплывании пузырьков и удалении образовавшегося слоя насыщенной примесями пены с поверхности воды.
Для очистки стоков от мелкодисперсных и коллоидных примесей используют их удаление с помощью коагулянтов и флокулянтов, а также другие приемы, например электрокоагуляцию, т.е. электролиз с растворимыми катодами, выполненными из металлов (алюминия и железа), служащих коагулянтами . Коагуляцию производят непосредственно после удаления крупных взвесей.
Для очистки от растворенных примесей применяют обратный осмос, ультрафильтрацию, электролиз, ионный обмен, адсорбцию, экстракцию, перегонку и др. Обратный осмос (гиперфильтрация) это процесс разделения растворов фильтрованием через мембраны, поры которых диаметром около 1 нм пропускают молекулы воды, но непроницаемы (или полупроницаемы) для гидратированных ионов солей или недиссоциированных молекул. Ультрафильтрация - разделение растворов, содержащих высокомолекулярные соединения, мембранами, поры которых имеют диаметр от 5 до 200 нм. Для гиперфильтрации применяют полимерные мембраны - ацетатцеллюлозные, полиамидные и др. При фильтрации через мембрану должно быть приложено давление, превышающее осмотическое; наиболее высокое рабочее давление применяется при гиперфильтрации солевых растворов, обладающих высоким осмотическим давлением, и составляет от 5 до 10 МПа при концентрации солей от 20 до 30 г/дм3. Для очистки стоков химических, целюлозо-бумажных, нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов методы гиперфильтрации и ультрафильтрации конкурентиоспособны с традиционными способами и перспективны, так как энергозатраты сравнительно невелики (причем энергия может быть регенерирована), установки просты и компактны; высокая селективность мембран, достигающая 99 % и обеспечивает получение чистой воды, которую можно возвратить в оборотную систему водоснабжения. Сконцентрированные в мембранных фильтрах примеси — соли, индивидуальные органические соединения могут быть утилизированы.
Электродиализ применяется для опреснения воды, т.е. для удаления растворенных минеральных солей, кислот, щелочей, а также радиоактивных веществ из сточных вод. Это процесс разделения ионов неорганических соединений, проводимый в многокамерном мембранном аппарате (электродиализаторе) под действием электрического тока. Электродиализатор разделен чередующимися катионовыми и анионовыми мембранами, образующими чередующиеся концентрирующие и обессоливающие камеры. Под действием постоянного тока катионы в движении к катоду проникают через катионовые мембраны, но задерживаются анионитовыми, а анионы, двигаясь к аноду, проходят анионитовые мембраны, но задерживаются катионитовыми. В результате ионы обоих знаков выводятся из одного ряда камер в смежный ряд камер, т.е. из одного ряда камер выводится концентрированный раствор, а из другого - обессоленная вода. При очистке сточных вод, содержащих соли кислот и оснований, можно получить в чистом виде и утилизировать эти кислоты и основания. Ионитовые мембраны изготовляют в виде композиций из термопластичного полимерного связующего (полиэтилен, полипропилен) и порошка ионообменных смол, а электроды — из платинированного титана. Ионообмен целесообразен как завершающая стадия доочистки и корректировки оборотной воды, а также для полного извлечения и утилизации таких токсичных веществ, как формальдегид, ртуть и др.
Экстракцией называют способ разделения и извлечения из растворенного вещества, из одной жидкой фазы, например из водного раствора с помощью другого растворителя (экстрагента) в другую жидкую фазу (обычно органическую). В качестве экстрагента используют нерастворенные в воде органические растворители, способные избирательно извлекать отдельные компоненты из жидких смесей (при жидкостной экстракции) или из твердых материалов (при выщелачивании). Экстрагентами служат углеводороды, спирты, водные растворы неорганических кислот и щелочей, фосфаты (эфиры), нафтеновые и фосфорорганические кислоты и др. Процессы экстракции широко применяются как в лабораторной, так и в производственной практике. Их применяют или для удаления нежелательной составной части, или для выделения в более концентрированном состоянии какой-нибудь ценной составной части раствора. В промышленной практике экстракцию осуществляют главным образом в про-тивоточных аппаратах (эктракторах) непрерывного действия.
Дистилляция или перегонка - способ разделения многокомпонентных жидких смесей на различающиеся по составу фракции путем частичного испарения смеси и конденсации паров. Полученный конденсат обогащен низкоки-пящими компонентами, остаток жидкой смеси — высококипящими. Разделение осуществляется тем легче, чем больше различаются по составу равновесные жидкость и пар.
Процесс разделения раствора путем отбора отдельных частей (фракций) конденсата и последующей повторной их фракционной конденсации и дистилляции дает возможность в системах, не содержащих азеотропов, разделить раствор на чистые (100 %-е) компоненты, а в системах, содержащих азеотро-пы, - на один из компонентов и азеотропный раствор. Этот метод разделения называется дробной (или фракционной) перегонкой. В описанной форме он является слишком сложным и трудоемким для практического применения в промышленном масштабе. Разделение удается осуществить более успешно, проводя фракционированную перегонку в форме непрерывного процесса, в котором операции конденсации и дистилляции отдельных фракций автоматизируется. Такая форма процесса называется ректификацией или многократной дистилляцией. То есть это способ разделения жидких смесей, состоящих из нескольких компонентов, основанный на многократном испарении жидкости и конденсации ее паров или неоднократном испарении смеси с последующей многоступенчатой конденсацией компонентов. Процесс ректификации осуществляется в ректификационных колоннах. Наиболее характерным типом таких колонн являются тарельчатые колонны. При непрерывной ректификации разделяемая смесь подается в среднюю часть колонны; дистиллят отбирается из дефлегматора (холодильника) установленного на выходе в верхней части колонны. Пар при подъеме вверх, контактируя с жидкостью, обогащается легколетучими компонентами (ЛЛК), а жидкость — труднолетучими. Обедненный ЛЛК остаток отводится из куба (нижней части) колонны. Часть конденсата (флегма) из дефлегматора возвращается на орошение в верхнюю часть колонны, а остальная - поступает в сборник дистиллята. Куб снабжен змеевиковым паровым нагревателем, с помощью которого поддерживается определенная температура жидкости в нижней части колонны. Колонна имеет ряд горизонтальных полок той или иной конструкции, называемых тарелками. Ректификация может осуществляться при атмосферном или повышенном давлении, а также под вакуумом. Ректификацию широко применяют в химической спиртовой (для получения спирта-ректификата) и нефтеперерабатывающей (например, для получения бензина, керосина, газойля, солярного топлива и др.) промышленности для разделения сжиженных газов и др. Используют перегонку и ректификацию для выделения легколетучих компонентов (метилового и этилового спиртов, ацетона и других углеводородов и растворителей) из сточных вод промышленных предприятий.
Анализ эффективности процесса разделения на искусственно приготовленных нефтесодержащих сточных водах в гидроциклонах различных конструкций
По результатам исследований разделительной способности трехпродук-товых эталонного, а также конструкций Гипровостокнефть и ВНИИВОДГЕО гидроциклонов в процессе очистки сточных вод (р = 47 1 г/см ) получены графические зависимости эффективности разделения суспензий тяжелых взвесей от потерь напора при постоянных давлениях на входе в гидроциклон (рисунок 2.12).
Анализ полученных экспериментальных зависимостей свидетельствует, что обычная конструкция трехпродуктового гидроциклона (эталон), в которой пульпа свободно изливается из нижнего разгрузочного отверстия, работает несколько эффективнее, чем три другие конструкции. Очевидно, снижение эффективности разделения в последних конструкциях происходит вследствие неблагоприятного влияния шламовой камеры. Конструкции гидроциклона института Гипровостокнефть и гидроциклона с удлиненной цилиндрической частью ВНИИВодгео при выделении тяжелой взвеси работают практически одинаково.
Из графика рисунка 2.12 видно, что наибольший эффект очистки от механических включений трехпродуктовые гидроциклоны обеспечивают при давлении на входе в гидроциклон 0,28 МПа и перепаде давления 0,18 МПа.
На рисунке 2.13 показана количественная и качественная характеристика эффективности отделения частиц масла и мехпримесей в трехпродуктовом ГЦ.
На рисунке 2.1 ЗА приведен график зависимости величины потерь воды с механическими примесями (qn) и с масляными включениями (qM) от перепада давления на гидроциклоне при постоянном давлении на входе в аппарат.
Из результатов экспериментальных исследований следует, что с увеличением давления на входе в гидроциклон эффект выделения масел повышается (рисунок 2.13Г). С уменьшением перепада давления на гидроциклоне при соответствующем увеличении давлений па входе и выходе эффект очистки воды от масел в трехпродуктовых гидроциклопах всех конструкций также увеличивается (рисунок 2.1 ЗА). Такой результат объясняется большим уносом масел при резком возрастании потерь воды с механическими примесями (рисунок 2.13Б).
Для определения оптимального гидравлического режима работы гидроциклона Гипровостокнефть получена зависимость эффективности разделения частиц масла от давления на входе в гидроциклон при постоянных потерях воды (рисунок 2.13В). Из графика следует, что максимальное отделение масла при минимальном уносе воды достигается при давлении, равном 0, 12 МПа.
Анализ результатов исследований (рисунок 2.13) показывает, что гидроциклон с увеличенной высотой цилиндрической части имеет несколько большую производительность и обеспечивает значительно большую эффективность очистки сточных вод от масла, чем остальные исследованные варианты. Это объясняется увеличением продолжительности пребывания рабочего потока в поле центробежных сил благодаря увеличению объема гидроциклона. Гидроциклон конструкции Гипровостокнефть работает эффективнее эталонного гидроциклопа.
Сточные воды содержат как примеси диспергированной нефти, так и агломераты из нефти и твердых частиц, удаление которых может быть выполнено как удаление механических примесей. Однако их разрушение в гидроциклоне и вывод отделившейся нефти повышает эффективность работы системы. Разрушение агломератов нефти и ТВЧ в поле центробежных сил, как указывалось ранее, происходит при угловых скоростях, соответствующих высоким давлениям питания. Однако в гидроциклонах разрушению агломератов способствует наличие циркуляционных токов в его цилиндрической части между сливной трубкой и корпусом гидроциклона. Результаты экспериментальных исследований разделительной способности трехпродуктовых гидроциклонов диаметром 0,04 и 0, 075 м по механическим примесям и диспергированной нефти для различных давлений на входе представлены на рисунке 2.14.
С увеличением давления процесс выделения механических примесей и нефти становится более интенсивным вследствие возрастания угловых скоростей. Это особенно характерно для гидроциклона малого диаметра. В диапазоне изменения давления от 0,9...0,13 МПа отмечается стабилизация и даже некоторое падение эффективности отделения нефти на гидроциклонах большого диаметра, что можно также объяснить повышенным уносом воды с включениями нефти с механическими примесями.
Используя графические зависимости, представленные на этом рисунке , можно оценить разделительную способность гидроциклона от диаметра сливного патрубка. Из рисунка видно, что с увеличением dCJI для обоих гидроциклонов эффективность отделения механических частиц примесей снижается, а нефти - повышается. Это объясняется перераспределением сопротивлений движению частиц нефти в сливном патрубке и механических примесей в конической части гидроциклона. Для создания оптимальных условий для отделения частиц нефти и механических примесей необходимо определенное соотношение диаметров сливного патрубка и цилиндрической части гидроциклона, которое определяет расположение центра образования обратного вихревого закрученного тока жидкости. Кривые 1 и 3 на рисунке 2.14 показывают, как происходит разделение при диаметре сливной камеры 0,3D; 2 - 0,25D; 4 -0,227D; D - диаметр гидроциклона.
Эффективность выделения механических и нефтяных частиц из сплошной среды для различных значений глубины (hnor) погружения сливной трубки в цилиндрическую часть гидроциклона представлена на рисунке 2.15В.
Из графиков видно, что с увеличением (hnor) эффективность разделения возрастает и, достигая своего максимального значения при 0,1 Нц, резко падает. Оптимальной для рассмотренного случая является глубина погружения, равная 0,015 м.
Известно [35,36], что оптимальное значение величины погружения сливного патрубка при разделении суспензии определяется произведением т-ёсл, или чаще уравнением hnor = m-(D - dCJ1) , (2.14) где hnor - расстояние от сливного патрубка до границы цилиндра с конусом; m - коэффициент погружения сливного патрубка.
Наиболее благоприятные условия для выделения эмульгированной нефти создаются в более широкой части гидроциклона. В этом случае значение «т» может быть несколько большим, чем при разделении суспензий. Наиболее приемлемое значение «т» находится в пределах 0,5.. .0,6.
В процессе исследования влияния площади и формы питающего отверстия на эффективность разделения суспензии определены оптимальные геометрические размеры и конфигурация этих отверстий.
Результаты экспериментов представлены на рисунке 2.15А. Выделение механических примесей и нефти эффективнее осуществляется при меньшей площади (0,2...0,3) поперечного сечения питающего отверстия с отношением сторон 1:5 или 1:4. Это приводит к увеличению скорости на входе, а значит, и увеличению фактора разделения.
Наклон винтового канала прямоугольного сечения вводного устройства был предусмотрен так, чтобы вводимый продукт за один оборот перемещался к вершине конуса гидроциклона на высоту вводного отверстия. Угол наклона «ф» определялся по выражению
Оценка эффективности действия центробежных сил при отделения твердых частиц в мультигидроциклоне
Разделение жидких суспензий осаждением механических примесей в центробежном поле проводят в тех случаях , когда разность плотностей твердой и жидкой фаз положительна (Ар = рт - р 0). Если сложная система содержит кроме жидкой (вода) и твердой фаз легкие плавающие компоненты (нефть, масла, пузырьки газа), то для такой системы разность плотностей жидкой и легкой фаз также положительна (Др = р - рл 0). Центробежная сила создается либо в результате тангенциального ввода суспензии (гидроциклоны, вихревые сепараторы), либо при раскручивании жидкости, находящейся во вращающемся роторе (центрифуги).
На частицу твердой фазы, находящуюся в центробежном поле на текущем (выбранном) радиусе г, кроме гравитационной силы Fg = mT g и архимедовой (центростремительной) [56]
Fa=mco г = рсо г (3.32) действует центробежная сила
гц=ттоГг = ртагг. (3.33)
Здесь тт = рт - масса твердой частицы; m - масса жидкости; а диаметр твердых частиц; ю -угловая скорость вращения частицы. Причем ю2г = аг
- радиальное ускорение в поле центробежных сил.
Гравитационная сила значительно меньше, чем центробежная, что видно из соотношения где Кр = F - фактор разделения, характеризующий отношение центробежной силы к гравитационной; VT = 27гпг - окружная (тангенциальная) скорость частицы на радиусе вращения г; п — частота вращения (число оборотов) частицы за 1 секунду вокруг оси вращения.
При расчетах центробежной очистки систем гравитационной силой обычно пренебрегают. Если принять, что осаждающаяся частица вращается с той же угловой скоростью, что и жидкость, то кориолисовой (поворотной силой инерции) также можно пренебречь. Сопротивление движению частицы оказывает сила сопротивления, величина которой определяется (как и при гравитационной очистке) по закону Сто-кса ( при ламинарном осаждении, Re l,6; Аг 6-Ю4) или по закону Ньютона - Реттингера (при турбулентном осаждении, Re l,6; Аг 6-Ю4)
Скорость свободного осаждения частицы в жидкости находят из выражения
Максимально возможную скорость центробежного осаждения можно найти, приняв движущую силу равной силе сопротивления (Fu — Fa = F) и заменив ускорение силы тяжести g центробежным ускорением аг
В зависимости от режима движения жидкости в аппарате выражение (3.38) примет вид:
- для ламинарного режима Уг(ос) І8ІГЮ (3-41)
Если в жидкости содержатся легкие компоненты, то под действием архимедовой силы они будут перемещаться (выталкиваться в радиальном направлении в противоположную сторону - к оси вращения. Скорость перемещения легких частиц к оси вращения Vr(BbIT) рассчитывается также по уравнениям (3.37 - 3.38) с заменой Ар на Ар .
При расчете элемента мультигидроциклона, предназначенного для отделения твердых частиц, должна быть выполнена оценка эффективности действия центробежных сил [57].
Силы, действующие на частицу, находящуюся в потоке жидкости в вихревом аппарате, как указывалось ранее, центробежная сила Fu, которая отбрасывает частицу к периферии, и сила сопротивления среды, или сила внутреннего трения FTp, от трения радиального потока жидкости, действующая в направлении аппарата [26,58].
Центробежная сила, выраженная через тангенциальную скорость VT, запишется
Сила внутреннего трения определяется по формуле Стокса в виде (3.35).
Направление движения частиц в вихревом аппарате определяется соотношением Fu и FTp. Если центробежная сила будет больше силы сопротивления среды, то частицы в аппарате будут вращаться, пока не измельчатся до малого размера. В случае равенства указанных сил частица будет продолжительное время циркулировать в вихревом аппарате. Для оценки эффективности действия центробежных сил в вихревом аппарате, используем фактор разделения по силе тяжести (3.34).
Фактор разделения по центробежной силе — отношение центробежных сил на минимальном г2 и максимальном г і = гвх радиусах вращения частиц потока:
Рассмотрим пример.
При входном давлении в вихревой аппарат Р = 2...2,8 кг/см , окружной скорости на входе в аппарат Vj = 5 м/с, диаметре циклона D = 2R = 300 мм и диаметре сопла аппарата dc - 50 мм (здесь достигается максимальная тангенциальная скорость V2 и статическое давление приближается к нулю) найдем скорость V2 из соотношения
Далее найдем фактор разделения Кц из соотношения К = 150-(50/5)2/25 = 600 раз.
В тоже время фактор разделения по силе тяжести (3.60) на внешнем радиусе вращения составляет
Кр1= 52/0,15-9,8 = 17 раз, а на радиусе диафрагмы
Кр1 =502/(0,25-9,8) = 10204 раз.
При этом должно выполняться условие
Кц = 600 = Кр2/Кр2 = 10204/17 = 600. Т
аким образом, расчет выполнен верно.
Улавливание нефти из потока пластовых вод
К факторам, ухудшающим работу технологического отстойного оборудования относится временной фактор. В условиях прогрессирующей обводненности добываемых нефтей и малой единичной пропускной способности водоотделителей исключается возможность широкого варьирования продолжительностью процесса разделения. Лишь в пределах загрузки аппаратах возможно взаимосвязанное регулирование времени пребывания обеих фаз путем изменения уровня их раздела.
Формирование благоприятной для отстоя гидродинамической обстановки в указанных аппаратах достигается модернизацией внутренней оснастки. Так, в [79] предложен вариант технического воплощения способа совместной подготовки нефти и воды, предусматривающий достижение поставленной цели путем изменения конструкции внутренних устройств в аппарате. Подобная тенденция сохраняется и сегодня, но не является определяющей, так как выбор метода и качество расслоения нефтяной и водной фаз находятся в прямой зависимости от природы добываемых жидкостей и степени их подготовленности к разделению на предыдущих стадиях.
Заслуживают внимания методы напорной флотации, позволяющие воздействовать на разделяемые среды непосредственно в аппаратах [80].
Известен также метод очистки сточных вод, используемый в установках очистки воды в блоке флотатора [81]. Основным недостатком метода является неустойчивость процесса, Многостадийиость процесса и необходимость поддержания постоянными перепада давления и расхода диспергируемого газа требуют оснащенности процесса средствами метрологического обеспечения и отлаженной надежности их работы, что исключает возможность автономного ведения процесса в безлюдном варианте, а подача «отработанного» газа, содержащего к тому же капельную нефть, на свечу не делает процесс безотходным.
Известен метод пенной деэмульсации нефти, заключающийся в использовании выделяющегося из эмульсии газа, обеспечивающего последующее флотирование ее к поверхности раздела, при вводе газонасыщенной эмульсии через сопла форсунок в рабочий объем аппарата с гидрофильной средой и меньшим давлением [82]. Но такая технология требует постоянного наличия гидрофильной фазы для ввода и диспергирования в ней всего потока газонасыщенной эмульсии, а используемые для этой цели технологические аппараты или сооружения должны иметь большой рабочий объем и высокую единичную производительность. В связи с этим, при всей очевидности высокой эффективности процесса, промышленного применения эта технология не находит.
На основе анализа используемых в промышленности методов совместной и раздельной подготовки прямых и обратных эмульсий предлагается флотационный способ улавливания нефти из водяных потоков на ранней стадии промысловой обработки обводненных нефтей - на ступенях ее сепарации [83], осуществляющийся при воздействии пульсирующим давлением. Для обеспечения одинаковой продолжительности пребывания разделяемых жидких сред в сепараторе водоотделителе их объемное соотношение в аппарате поддерживается равным соотношению их во входном потоке.
Для воздействия пульсирующего давления на всю глубину жидкой гетерогенной фазы в аппарате создаваемый перепад давления должен быть больше величины гидростатического давления нефтяного и водяного слоев, причем для разрушения образующейся пены и обеспечения полноты выделения остаточных газовых включений из разделяемых жидких фаз количество пульсаций давления в газовой зоне аппарата не должно быть менее трех за период пребывания разделяемых фаз в аппарате.
Эффективность способа заключается в использовании потенциальной энергии растворенных в нефти и в сопутствующей ей воде газов при неоднократном воздействии пульсирующего давления на нефтеводяную смесь, частично разгазированную в устройстве предварительного отбора газа (УПОГ), в период ее пребывания в трехфазном сепараторе-водоотделителе. Причем кратковременный перепад давлений в газовой зоне аппарата вызывается срабатыванием установленного на нем редуцирующего клапана, соединенного с газовой линией устройства предварительного отбора газа после регулятора давления прямого действия. При этом во всем объеме жидкости выделяется растворенный газ, зарождение пузырьков которого происходит как на поверхности твердых частиц - центров газообразования, так и внутри диспергированных в воде капелек эмульгированной нефти, чем обеспечивается полнота охвата и надежность сцепления в водной фазе пузырьков газа с инородными включениями и последующее их флотирование на поверхность раздела [84].
Ее реализация осуществляется с помощью устройства для предварительного отбора газа 1, служащего одновременно для сглаживания пульсации во-донефтяного потока перед входом в сепаратор-водоотделитель 2, снабженный редуцирующим клапаном 3, периодически перекрывающим газовый поток в газовую линию устройства предварительного отбора газа после регулятора давления прямого действия 4.
Технология улавливания нефти из потока пластовых вод заключается в следующем. Высокообводненный газонефтяной поток поступает в УПОГ 1, где при давлении Р[ отбирается основной (более 90 %) объем газа, что позволяет разгрузить сепаратор-водоотделитель 2 по газовой фазе и дает возможность повысить на 20 % коэффициент использования внутреннего объема аппарата за счет подъема уровня жидкости в нем до 0,7 от диаметра. Причем соотношение объемов нефтяной и водной фаз в нем поддерживается равным соотношению их во входном потоке. Это обеспечивает при любой загрузке аппарата одинаковое, но более продолжительное пребывание разделяемых сред, что имеет технологическую значимость при создании пульсирующего давления в газовой зоне. Выделившийся газ через регулятор прямого действия 4 поступает в газовый коллектор 5, в котором поддерживается давление Р2.
Создаваемый в аппарате перепад давления (РрРг) должен быть заведомо несколько больше гидростатического давления водяного и нефтяного слоев.
Из устройства 1 водонефтяная смесь с включениями остаточного свободного газа поступает в приемную успокоительную зону сепаратора-водоотделителя 2, что имеет место в реальных условиях ведения процесса сепарации, в аппарате происходит, главным образом, выделение свободного газа, увлеченного жидким потоком. Температура процесса, как и давление, практически постоянны. В таких условиях реализация предлагаемого принципа технологического воздействия на потоки путем осуществления периодического и за короткий промежуток времени снижения давления в сепараторе позволяет, наряду с интенсификацией и углублением процесса сепарации, обеспечить требуемое качество отделяемой пластовой воды для использования непосредственно в системе поддержания пластового давления.
Пульсирующий характер давления в зоне газовой фазы сепаратора достигается установкой на нем регулирующего клапана прямого действия 3, срабатывающего при давлении Р).
За счет инерционности истечения газа через пульсационную трубку и малого гидравлического сопротивления поступлению газа из сепаратора 2 в коллектор 5 давление Р2 в аппарате установится быстрее, чем закроется проходное сечение в клапане. Падение давление вызовет дополнительное выделение газа из нефти, ускорит всплывание пузырьков ранее выделившегося газа. Этим в значительно большей мере будет компенсироваться разрыв в давлениях в УПОГ и сепараторе при закрытом клапане 3, чем увеличением притока новых порций нефти.
При установившемся пульсационном режиме работы аппарата последующее кратковременное снижение давления «провоцирует» выделение газа во всем объеме свежей порции поступившей жидкости. Причем зарождение пузырьков газа в водяной фазе происходит как на поверхности твердых частиц, так и внутри диспергированных в ней капелек эмульгированной или свободной нефти, чем обеспечиваются полнота охвата и надежность сцепления инородных включений с пузырьками газа. Образующиеся «тандемные» пары имеют скорость всплытия в 4...5 раз большую, чем при обычном процессе отстоя.
При воздействии переменного давления не исключается возможность образования пенного слоя на поверхности жидкости, однако последующие импульсы давления способствуют его разрушению, а также полному удалению остаточного свободного газа из нефтяной и водяной фаз до выхода их из аппарата. В целом, в период пребывания разделяемых сред в аппарате количество импульсов давления не должно быть менее трех. Их количество регулируется повышением давления Р Таким образом, при прогрессирующей обводненности добываемых неф-тей практическое использование предлагаемой технологии позволит резко сократить потери нефти с пластовыми водами, готовить пластовые воды для систем ППД непосредственно в потоке, что исключает необходимость строительства дополнительных очистных сооружениях.
