Laboratory modeling of the oil separation process by the method of

ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2014. № 1 (57)
УДК 622.323
Ю. С. Вязовой
ËÀÁÎÐÀÒÎÐÍÎÅ ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ ÏÐÎÖÅÑÑÀ ÑÅÏÀÐÀÖÈÈ ÍÅÔÒÈ
ÌÅÒÎÄÎÌ ÎÒÄÓÂÊÈ Â ÂÅÐÒÈÊÀËÜÍÎÌ ÑÅÏÀÐÀÒÎÐÅ
Yu. S. Vyazovoy
LABORATORY MODELING OF THE OIL SEPARATION PROCESS
BY THE METHOD OF BLOWING IN VERTICAL SEPARATOR
Приведена технологическая схема процесса противоточной отдувки нефти. Дано описание предлагаемой конструкции гофрированной массообменной насадки и ее близкого аналога. Принцип действия насадки основан на том, что мелкие пузырьки газа, растворенные
в нефти, уносятся газом отдувки, который подается в аппарат. Описана технологическая
схема лабораторной установки, состоящей из двух блоков. Первый блок предназначен для
приготовления смеси газа и жидкости. Основной задачей второго является отделение газа.
Поcле каждого из блоков имеется точка для отбора проб. Описана последовательность проведения экспериментов, приведены их результаты и анализ.
Ключевые слова: сепарация, промысловая подготовка, лабораторная установка, нефтегазосепаратор, массообмен.
The technological scheme of the process of countercurrent oil blowing is presented. The proposed
construction of corrugated mass-transfer packing and its close analogue is described. The basis of the
principle of the packing operation is that small bubbles of gas dissolved in the oil are entrained with
blowing gas supplied to the apparatus. The technological scheme of the laboratory unit consisting
of two blocks is described. The first unit is designed for the mixing of gas and liquid. The main objective of the second one is the separation of gas. After each of the blocks, a sampling point is fixed. The
sequence of experiments is described, their results and analysis are given.
Key words: separation, field preparation, laboratory installation, oil and gas separator, masstransfer.
Введение
Нефть, добываемая на промыслах, содержит в себе растворенный газ. Перекачивать
и хранить ее в таком виде нецелесообразно, поэтому газ отделяют. Аппараты, в которых проходит этот процесс, называются нефтегазовыми сепараторами. Применяются в основном
горизонтальные аппараты. Принцип их работы основан на объединении газовых пузырьков
в толще жидкости и подъеме на поверхность. Основные недостатки горизонтальных сепараторов, применяемых на промыслах, – малая зона пленочного разгазирования, затрудненное
выделение газа из секции сбора, а также осложненное удаление твердых частиц из аппарата.
Вертикальные сепараторы лишены этих недостатков, и, кроме того, они обладают следующими преимуществами: малая площадь, необходимая для монтажа на технологической
площадке, гашение сепаратором колебаний жидкости при ее неравномерном поступлении, возможность оборудования сепаратора специальными устройствами для снижения уноса капельной жидкости газом и повышения качества сепарации нефти [1].
Анализ источников и опыт эксплуатации сепараторов показывают, что в среднем в нефти остается до 3–4 % попутного газа. Оставшийся в нефти газ уносит с собой некоторое количество
«ценных» легких углеводородов. Такие потери, по разным данным, составляют от 2 до 5 % общей
добычи нефти. По этой причине все еще актуален поиск новых способов отделения газа [2, 3].
Целью исследований являлось экспериментальное моделирование процесса сепарации
нефти в контактной насадке. Задачи – разработка лабораторной установки, проведение экспериментов и анализ полученных данных.
В последнее время появилась технология сепарации нефти при помощи противоточного
пропускания нефти и газа в каналах контактной насадки, представляющая собой пакет гофрированных пластин. Процесс подготовки нефти получил название «отдувка». В настоящее время
18
ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ È ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÛÅ ÍÀÓÊÈ
созданы и эксплуатируются аппараты, предназначенные для отдувки от товарной нефти остатков попутного газа и сероводорода [1, 4]. Типовая схема этого процесса представлена на рис. 1.
Отдувка (в емкости V1) осуществляется перед отправкой нефти на хранение в резервуар
(V1 здесь условно) при давлении близком к атмосферному. Газ для отдувки забирается с первой
ступени сепарации. Анализ данных из [1, 3] позволяет сделать вывод, что соотношение расхода
нефти и газа должно быть не менее 1 : 5 соответственно. Дальнейшее увеличение расхода газа
приводит к уносу нефти продувочным газом.
Отвод газа
Отвод газа
Подача нефти
Сепаратор последней
ступени (V1)
Подача нефти на отдувку
V2
Резервуар
Подача газа
отдувки
Отвод нефти в резервуар
Рис. 1. Технологическая схема стабилизации нефти
с применением вертикального аппарата
Такого соотношения расхода газа и жидкости не всегда возможно достичь, например, на
удаленном промысле. Это обусловлено конструкцией массообменной насадки, в связи с чем нами
была предложена и экспериментально опробована более простая конструкция контактной насадки.
На рис. 2 представлена конструкция пакета массообменной насадки, применяемой для
отделения попутного газа и сероводорода.
Рис. 2. Существующая конструкция массообменной насадки
Такие насадки обладают развитой удельной поверхностью контакта фаз и невысоким гидравлическим сопротивлением. Течение жидкости имеет ламинарный характер, а взаимодействие
с газом происходит в пленочном режиме, что исключает возможность пенообразования [1]. Газовые пузырьки, содержащиеся в нефти, соединяются в объеме пленки, стекающей по поверх19
ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2014. № 1 (57)
ности насадки, с пузырьками продувочного газа, образующимися за счет его противоточной подачи. Недостатки насадки – наличие вертикальных струн между гофрированными пластинами
и, следовательно, относительная сложность ее изготовления.
На рис. 3 представлен вариант насадки, опробованной экспериментально. Ее конструкция
лишена недостатков ранее описанной насадки и имеет следующие преимущества: течение
жидкости по наклонным плоскостям большей площади, наличие в изогнутых каналах насадки
мест для скопления жидкости, простота изготовления за счет отсутствия вертикальных струн
между пластинами.
Рис. 3. Экспериментально опробованная насадка:
1 – гофрированные пластины; 2 – скопления жидкости
Для экспериментальной проверки предлагаемой конструкции была построена лабораторная
установка (рис. 4), при создании которой были учтены некоторые выводы, сделанные в [2, 5].
Отбор
проб
Подача газа насыщения
Контур газирования
6
Зона разгазирования
2
1
Вывод
газа из
аппарат
а
Подача газа
отдувки
Отбор
проб
3
5
4
Рис. 4. Схема экспериментальной установки:
1 – сатуратор; 2 – камера сепаратора; 3, 4 – циркуляционный насос;
5, 6 – пробоотборная точка
Установка включает в себя 2 контура – контур газонасыщения и контур разгазирования.
Контур газонасыщения состоит из емкости сатуратора 1 для приготовления газонасыщенного
раствора циркуляционного насоса 3 для непрерывного обращения жидкости через емкость 1.
В этот контур подается также газ для смешивания с жидкостью, а качество получаемой смеси
20
ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÅ È ÅÑÒÅÑÒÂÅÍÍÛÅ ÍÀÓÊÈ
Соотношение расхода жидкости и газа
контролируется посредством отбора проб через пробоотборную точку 6. На выходном патрубке
сатуратора установлена термопара для контроля температуры циркулирующей жидкости. Это
важно потому, что при повышении температуры воды растворяемость в ней газов снижается
(в летний период мы наблюдали повышение температуры жидкости до 35 °С).
Контур сепарации состоит из емкости экспериментального сепаратора 2 с контактной
насадкой и емкостью для сбора воды, циркуляционного вихревого насоса 4 для выкачивания
жидкости в контур газонасыщения компрессора (рис. 4). Качество сепарации контролируется
посредством отбора проб через пробоотборную точку 5.
Установка работает следующим образом: жидкость циркулирует в контуре газонасыщения до полного насыщения рабочей жидкости газом при заданном давлении, затем открывается
кран перед камерой сепаратора и жидкость поступает на дегазацию. Одновременно с подачей
жидкости в камеру сепаратора осуществляется подача газа продувки в камеру. По мере накопления жидкости в нижней части камеры сепарации включается насос и начинается ее опорожнение. Это позволяет поддерживать уровень жидкости на одной отметке и осуществлять непрерывное газонасыщение и дегазацию.
Эксперименты мы начали при соотношении расхода жидкости и газа 1 : 6 и постепенно
уменьшали подачу газа. На рис. 5 приведена зависимость соотношения расхода жидкости и газа
и остаточного содержания газа в пробах, отобранных после камеры сепарации. При снижении
расхода газа (1 : 3 и менее) наблюдается повышение остаточного содержания газа в пробе.
Остаточное содержание газа
Рис. 5. Диаграмма зависимости соотношения расхода
остаточного содержания газа
При значении 1 : 3,5 наблюдается переход к приемлемому значению и с повышением
расхода газа отдувки оно практически не меняется (это отчасти объясняется возможным
несовершенством метода измерения остаточного содержания газа).
Заключение
Таким образом, первичные экспериментальные данные показали эффективность предлагаемой насадки. Приемлемое значение остаточного количества газа в жидкости на выходе достигается при расходе 1 : 3,5 против 1 : 5, указанных в [1, 3] для насадок другого типа. С нашей
точки зрения, возможно проведение экспериментов с применением углекислоты в качестве газа
насыщения и воздуха для отдувки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Персиянцев М. Н. Совершенствование процессов сепарации нефти от газа в промысловых условиях / М. Н. Персиянцев. М.: Недра-Бизнесцентр, 1999. 365 с.
2. Вязовой Ю. С. Процессы, проходящие при отдувке в нефтегазовых сепараторах / Ю. С. Вязовой,
В. И. Гулевич // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2012. № 1 (53). С. 27–30.
21
ISSN 1812-9498. ÂÅÑÒÍÈÊ ÀÃÒÓ. 2014. № 1 (57)
3. Stewart M. Gas-Liquid and Liquid, Liquid separators / M. Stewart, K. Arnold. Burlington, USA: Gulf
Professional Publishing, 2008. 226 p.
4. Сахабутдинов Р. З. Технологии очистки нефти от сероводорода / Р. З. Сахабутдинов, А. Н. Шаталов, Р. М. Гарифуллин, Д. Д. Шипилов, Р. Р. Мухаметгалиев // Нефтяное хозяйство. 2008. № 7. С. 82–85.
5. Синайский Э. Г. Сепарация многофазных многокомпонентных систем / Э. Г. Синайский, Е. Я. Ляпина,
Ю. В. Зайцев. М.: ООО «Недра-Бизнесцентр», 2002. 621 с.
REFERENCES
1. Persiiantsev M. N. Sovershenstvovanie protsessov separatsii nefti ot gaza v promyslovykh usloviiakh
[Improvement of the oil and gas separation processes in industrial conditions]. Moscow, Nedra-Biznestsentr
Publ., 1999. 365 p.
2. Viazovoi Iu. S., Gulevich V. I. Protsessy, prokhodiashchie pri otduvke v neftegazovykh separatorakh
[Processes, occurring at blowing in oil and gas separators]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2012, no. 1 (53), pp. 27–30.
3. Stewart M., Arnold K. Gas-Liquid and Liquid, Liquid separators. Burlington, USA: Gulf Professional
Publishing, 2008. 226 p.
4. Sakhabutdinov R. Z., Shatalov A. N., Garifullin R. M., Shipilov D. D., Mukhametgaliev R. R. Tekhnologii
ochistki nefti ot serovodoroda [Technologies of oil purification from hydrogen sulfide]. Neftianoe khoziaistvo,
2008, no. 7, pp. 82–85.
5. Sinaiskii E. G., Liapina E. Ia., Zaitsev Iu. V. Separatsiia mnogofaznykh mnogokomponentnykh sistem
[Separation of many phased multicomponent systems]. Moscow, OOO «Nedra-Biznestsentr» Publ., 2002. 621 p.
Статья поступила в редакцию 29.04.2014,
в окончательном варианте – 16.04.2014
ÈÍÔÎÐÌÀÖÈß ÎÁ ÀÂÒÎÐÅ
Âÿçîâîé Þðèé Ñåðãååâè÷ – Àñòðàõàíñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò;
àñïèðàíò êàôåäðû «Ýêñïëóàòàöèÿ íåôòÿíûõ è ãàçîâûõ ìåñòîðîæäåíèé»;
[email protected].
Vyazovoy Yuriy Sergeyevich – Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student
of the Department "Exploitation of Oil and Gas Fields"; [email protected].
22