устройство для разделения эмульсий

Формула изобретения

Устройство для разделения эмульсий, выполненное в виде фильтрующе-коалесцирующего пакета, представленного блоком секций из пластин пористо-ячеистых материалов, уложенных слоями в порядке возрастания плотности ячей и пор от секции к секции и под углом не ниже угла оттекания жидкости по направлению к движущемуся потоку, причем, материалом первых секций является пористо-ячеистый металл или сплав, а последней секции пористо-ячеистый полимерный материал, отличающееся тем, что пакет дополнительно содержит установленный со стороны входного патрубка блок секций с промежутками между ними из пластин вспененного пористо-ячеистого полимерного материала, расположенных в порядке увеличения плотности пористо-ячеистой структуры от секции к секции, и блоки разделены между собой отстойной зоной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройствам для разделения эмульгированных углеводородных сред в нефтегазодобывающей отрасли промышленности и может быть использовано для совместной подготовки нефти и воды на нефтепромыслах.

Известно устройство для разделения эмульгированных углеводородных сред, выполненное в виде коалесцирующего пакета из пористо-ячеистых металлических и полимерных материалов с фиксированной пористо-ячеистой структурой. Для обеспечения высокой степени разделения эмульсий пакет компонуется таким образом, что первыми располагаются секции пористо-ячеистых металлических материалов с нарастающей плотностью пористо-ячеистого пространства, а последняя секция представлена пористо-ячеистым полимерным материалом. Секции собраны без промежутков между ними.

Однако высокая эффективность процесса разделения обеспечивается при определенном ограниченном перечне характеристик обрабатываемых эмульсий. С высокими показателями по глубине обезвоживания углеводородной фазы названное устройство используется, в основном, в технологии обезвоживания светлых углеводородных топлив процессов нефтепереработки (бензина, керосина, дизтоплива, а также сжиженных углеводородных газов), характеризующихся относительно низкой вязкостью и сравнительно невысокой стойкостью эмульсий при различной степени дисперсности водной фазы, обусловленных компонентным составом названных продуктов и параметрами промышленных технологических процессов производства топлив.

При необходимости расширения сферы использования названного устройства, например, в нефтедобывающей отрасли, для разрушения нефтяных эмульсий, поднятых из нефтяных скважин на поверхность, выявляются следующие недостатки.

Коалесцирующая способность пористо-ячеистых материалов с большим эффектом проявляется в тех эмульгированных средах, в которых преобладает углеводородная фаза. Благодаря тому, что леофильная поверхность материалов способствует заполнению пористо-ячеистого пространства в первую очередь углеводородной фазой, основная часть грубодисперсной водной фазы отделяется уже перед пакетом при кратковременном контакте с поверхностью зеркала пакета. Компоновка пакета секциями оптимального качества и количества зависит от характера и стойкости мелкодисперсной взвеси водной фазы в эмульсии, коалесцирующейся в объеме пористо-ячеистого пространства в результате контакта с высокоразвитой поверхностью материала.

При значительной обводненности эмульсионной среды высокая эффективность работы пакета сохраняется лишь в случае относительно невысокой прочности энергетических связей компонентов углеводородной фазы эмульсии с молекулами воды на границе раздела фаз. В этом случае основная масса эмульсионной воды, включающей и грубодисперсную водную взвесь, образующуюся в результате коалесценции в объеме перед пакетом и при первом контакте с поверхностью металлического зеркал пакета, также легко отделяется, не создавая гидравлического сопротивления, так как капли воды в невязкой углеводородной среде быстро скатываются по наклонной поверхности зеркала пакета и в оптимальном режиме технологии выводятся из аппарата. Коалесценция мелкодисперсной водной взвеси эмульсии осуществляется на внутренней развитой поверхности пористо-ячеистой структуры материала. Так обеспечивается глубокое обезвоживание светлых углеводородных топлив при содержании воды в эмульгированном потоке до 70 об. и даже более в условиях больших производительностей по потокам.

Водонефтяная эмульгированная среда, поднятая на поверхность из нефтедобывающих скважин, отличается от эмульсий углеводородных топлив компонентным составом, наличием механических и других стабилизирующих примесей, условиями ее образования, что характеризует высокую прочность и стойкость бронирующих оболочек на границе раздела диспергированных фаз. Особенно высокой стойкостью (до суток и более) характеризуются нефтяные эмульсии при обводненности, превышающей 50 об. то есть при переходе качества эмульсии от типа "вода в нефти" к типу "нефть в воде".

Чем меньше воды в нефтяной эмульсии, тем меньше сопротивление создает леофильный металлический материал, пропуская углеводородную среду и увлекая дисперсную водную фазу, которая при оптимальной величине внутренней поверхности контакта пакета успевает коалесцироваться и удаляться из пористо-ячеистого пространства отдельной фазой при четкой границе раздела.

С увеличением количества воды в нефтяной эмульсии происходит большее диспергирование нефтяной фазы в водной среде с образованием различной дисперсности частиц, представленных нефтяными глобулами, окруженными водными ассоциатами с прочными оболочками, что изменяет характер взаимодействия с поверхностью металлического пористо-ячеистого материала. Леофильная поверхность способствует заполнению пористо-ячеистого пространства углеводородной фазой, которая на поверхности зеркала, способствуя разрушению крупных ассоциатов, высвобождает значительное количество воды. В условиях больших объемных скоростей нефтеводяных потоков, при контакте высвобожденной водной фазы из разрушенных глобул, которая не успевает быстро эвакуироваться с несмачиваемой поверхностью зеркала пакета, возникает сопротивление еще и за счет того, что значительная часть более прочных диспергированных частиц медленно разрушается на поверхности зеркала металлического пакета, многократно контактируя с незначительной частью поверхности зеркала, по сравнению с остальным объемом пакета, постепенно дробясь и медленно продвигаясь по пористо-ячеистой структуре. В пористо-ячеистое пространство может проникать лишь та незначительная часть глобул соответствующего размера, которая характеризуется наиболее высокой прочностью стабилизирующих оболочек. Повышение эффективности деэмульсации и коалесценции водной фазы на леофильной металлической пористо-ячеистой контактной поверхности в значительно обводненных нефтяных эмульсиях требует увеличения времени контакта, что влечет за собой увеличение объема коалесцирующего пакета и дополнительных материальных и энергетических затрат.

Таким образом, существенно изменяются условия эксплуатации устройства при резком снижении производительности, а нефтедобывающая отрасль характеризуется большими объемами переработки и предъявляет требования к повышению эффективности разделения нефтяных эмульсий с обеспечением возможности максимального снижения затрат на перекачку обводненной нефти и гарантий исключения, в связи с этим экологических кризисных ситуаций, а также для обеспечения возможности глубокой очистки пластовых вод от нефтяных примесей при возврате их в скважину и исключением, в связи с этим, дополнительных потерь и загрязнения горизонтов закачки остаточными реагентами, используемыми в действующей технологии для деэмульсации.

Целью изобретения является повышение эффективности разделения стойких нефтяных обводненных эмульсий для обеспечения возможности совместной подготовки нефти и воды на нефтепромыслах.

Поставленная цель достигается тем, что для повышения эффективности разделения нефтяных эмульсий используют устройство, выполненное в виде фильтрующе-коалесцирующего пакета, представленного блоком секций из пластин пористо-ячеистых материалов, уложенных слоями в порядке возрастания плотности ячей и пор от секции к секции и под углом не ниже угла оттекания жидкости по направлению к движущемуся потоку, причем материалом первых секций является пористо-ячеистый металл или сплав, а последней секции пористо-ячеистый полимерный материал, и дополнительно пакет содержит установленный со стороны входного патрубка блок секций с промежутками между ними из пластин вспененного пористо-ячеистого полимерного материала, расположенных в порядке увеличения плотности пористо-ячеистой структуры от секции к секции, и блоки разделены между собой отстойной зоной.

На фиг. 1 изображен продольный разрез аппарата, общий вид; на фиг. 2 - продольный разрез секционного блока А; на фиг. 3 продольный разрез секционного блока Б.

Предлагаемое устройство содержит корпус 1, в котором размещен фильтрующе-коалесцирующий пакет, выполненный в виде двух блоков А и Б, набранных из секций пластин фильтрующе-коалесцирующих материалов 2. Блоки разделены между собой отстойной зоной 3. У входного патрубка 4 расположено распределительное устройство 5 для равномерной подачи эмульсии по рабочему сечению аппарата. Вывод водной фазы осуществляется через дренажные патрубки 6 и 7, а нефтяная фаза выводится через отводящий патрубок 8.

Первый по ходу потока блок А набран из секций пористо-ячеистого вспененного полимерного материала, например эластичного пенополиуретана. Материал в секциях укладывается поперечными слоями с диаметром, превышающим внутренний диаметр корпуса устройства, во избежание пристеночных эффектов, и перекрывая рабочее сечение. Каждый слой материала (цельный или составной) имеет однородную пористо-ячеистую структуру с диаметром ячей одинакового или близкого размера. Однородные слои материала набираются в оптимальном количестве, без промежутков между ними, и ограничиваются снаружи опорными сетками, образуя секцию 2.

Первая по ходу потока секция составляется из наименее плотного материала, то есть с наибольшим размером ячей и пор, выбранным с учетом особенностей для каждого конкретного технологического варианта.

Каждая последующая секция аналогично составляется из материала с большей плотностью пористо-ячеистого пространства, то есть с меньшим размером ячей и пор по сравнению с материалом каждой предыдущей секции. Секции друг от друга разделены промежутками для обеспечения устойчивой работы устройства при варьировании объемов фаз в эмульсионных потоках.

Оптимальные размеры полимерного блока А при оптимальном количестве секций оптимального размера по ширине зависят от особенностей конкретных эмульгированных водонефтяных потоков с учетом их состава обводненности, устойчивости эмульсии и т.п.

Назначение блока А сводится к своего рода первичной обработке стойкой обводненной эмульсии с целью предварительного (частичного) разрушения эмульсии с получением двух фаз, из которых углеводородная может быть уже в значительной степени обезвожена за счет разрушения крупных ассоциатов и будет представлять собой эмульсию типа "вода в нефти" с мелкодисперсными более стойкими взвесями. Кроме того, полимерный блок благодаря специфическим свойствам поверхности эластичного материала, способного, к тому же, создавать "режим отжима", снизит сопротивление потока, позволит в значительной степени расслоить эмульсию, обеспечив условия, аналогичные первой ступени обезвоживания, с окончательным глубоким отделением воды от углеводородной фазы на втором блоке Б.

Второй по ходу потока блок Б составлен преимущественно из пористо-ячеистого металлического с добавлением пористо-ячеистого полимерного материалов и как бы является второй ступенью обработки водонефтяной фазы, после которой эмульгированный исходный водонефтяной поток полностью разделен на две фазы, каждая из которых на выходе оценивается соответствующим качеством. Углеводородная фаза соответствует нормам обезвоживания по технологии подготовки для транспортировки потребителям для переработки, а водная фаза качеству подтоварных вод, соответствующих нормам для закачки в скважины.

Секции пластин материалов, составляющих блок Б, набраны без промежутков между ними, и по аналогии с блоком А плотность пористо-ячеистого пространства увеличивается от секции к секции. Из полимерного материала набирается последняя секция с самой плотной пористо-ячеистой структурой, а все предыдущие секции представлены пористо-ячеистым металлом или сплавом, оптимально подобранным в порядке нарастания плотности пористо-ячеистого пространства от секции к секции для обрабатываемой среды с учетом степени леофильности материалов при конкретных характеристиках обрабатываемой эмульсии.

Плотность полимерных слоев материала в полимерной секции блока Б у стенок корпуса достигается превышением их диаметра по отношению к диаметру корпуса устройства. Плотность между стенкой корпуса и металлическими пористо-ячеистыми пластинами достигается применением выбранных уплотняющих материалов для исключения возможности снижения эффекта глубокого разделения из-за пристеночных эффектов.

Слои пластин материалов в секциях блока Б набираются без промежутков между ними и с наклоном не ниже угла оттекания жидкости; исключаются и промежутки между секциями в самом блоке.

В связи с тем, что к полимерному блоку А предъявляются требования не глубокого, а лишь частичного разрушения сильно обводненных нефтяных эмульсий, для эффективного обеспечения устойчивого режима глубокого обезвоживания на следующем блоке Б той эмульсии, в которой уже значительно преобладает углеводородная фаза, оба секционных блока высоко производительны и компактны и, тем самым, обеспечивают компактность аппарату в целом, работающему в условиях больших производительностей по потокам.

Устройство работает следующим образом. Стойкая нефтяная эмульсия с любой степенью обводненности под напором через промежуточную емкость, где может оседать значительная часть мехпримесей, равномерным потоком через распределительное устройство 5, расположенное в корпусе 1 со стороны входного патрубка 4 поступает на первый по ходу блок секций А коалесцирующего пакета.

Высоко развитая контактная поверхность полимерного материала по мере продвижения обводненной эмульсии по постепенно уплотняющейся пористо-ячеистой структуре способствует разрушению ее в значительной степени с изменением качества при переходе от типа "нефть в воде" к типу "вода в нефти".

При сочетании оптимального уровня леофильности и гидрофильности поверхности пористо-ячеистого полимерного материала в блоке А с оптимальной степенью эластичности для создания оптимального режима "отжима" обеспечивается снижение гидравлического сопротивления по сравнению с другими пористо-ячеистыми материалами, так как полимерный материал в секциях 2 может неравномерно заполняться как эмульсионной средой, так и обеими фазами одновременно. По мере продвижения потока происходит разрушение эмульсионной среды, коалесценция диспергированных фаз и их расслоение за счет разности плотностей как в слоях материала секций, так и в межсекционном пространстве. В результате по мере движения потока степень расслоения фаз увеличивается настолько, что на выходе из последней секции полимерного блока благодаря дополнительному перемешиванию и коалесценции укрупнившихся капель, выжатых из эластичного материала, в отстойной зоне 3 образуется два слоя с четкой границей раздела фаз.

Нижний слой представлен водной фазой, как правило, не содержащей нефтяных включений со степенью очистки пластовой воды от нефти, позволяющей закачивать ее в подземные горизонты. Водная фаза выводится из аппарата через дренажный патрубок 6.

Углеводородная фаза в отстойной зоне 3, по объему превышающая объем водной, пока еще частично обводнена мелкодисперсными взвесями и представляет собой эмульсию типа "вода в нефти" и поступает далее на блок секций Б. Так как пористо-ячеистый материал блока Б более гидрофобен, он легко заполняется углеводородной средой, не пропуская эмульгированную водную взвесь сверх размера ячей материала у поверхности зеркала первой секции. Водные частицы эмульсии коалесцируются на поверхности, скатываясь по наклонной ее плоскости, а мелкие взвеси разрушаются при контакте с высокоразвитой внутренней поверхностью материалов блока в постепенно уплотняющемся пористо-ячеистом пространстве металлических материалов до самых мелких размеров ячей и пор, обеспечиваемом в последней секции блока из полимерного материала. При высокой эффективности коалесценции капель воды и своевременной эвакуации ее из структуры материала по наклонной плоскости ячеистых перегородок в пористо-ячеистой структуре происходит глубокое обезвоживание. Нефтяная фаза, обезвоженная до требуемых норм действующей технологии на производстве, отводится из накопительной зоны в аппарате за сенционным блоком Б через патрубок 8.

Таким образом, благодаря компоновке коалесцирующего пакета в виде двух секционных блоков при соответствующем представленном композиционном оформлении полимерными и металлическими пористо-ячеистыми материалами в компактном аппарате при большой производительности эмульгированного потока достигается эффективное разделение стойких нефтяных обводненных в широком интервале эмульсий. Для достижения высокого эффекта глубокого разделения фаз на поверхности представленных материалов не требуется дополнительного применения деэмульгирующих реагентов, что значительно отличит, упростит и удешевит действующую технологию подготовки нефти и воды непосредственно на промыслах. Глубокий эффект разделения фаз позволяет водный слой эмульсии, не содержащий примесей нефтяной фазы, закачивать в пласт, исключая возможность экологических нарушений при дополнительном загрязнении поверхностных вод при сброса. При использовании предлагаемого устройства в технологии подготовки нефти и воды непосредственно на промыслах значительно упрощается как основная технологическая схема, так и схема откачки при значительной экономии материальных и энергетических средств. Используемые пористо-ячеистые материалы коррозионностойки в рабочей среде, способны долгое время эффективно работать без регенерации, так как мехпримеси в значительной мере отделяются с водной фазой перед блоком А, а в случае необходимости пористо-ячеистый материал продувается, промывается. При исключении возможности регенерирующего воздействия для полимерного материала он может быть со временем полностью заменен, практически не отражаясь на общей экономической эффективности процесса.