Одной из проблем промыслового сбора и подготовки нефти, в том числе и на нефтедобывающих платформах, являются потери, связанные с несовершенством систем сепарации.
Как проблему потерь, связанных с несовершенством систем сепарации предлагают решать российские специалисты?
Некачественная сепарация нефти ведет к тому, что остатки газа выделяются в процессе хранения и транспортировки нефти, выводят из строя оборудование промыслов, образуют взрывоопасные очаги и загрязняют окружающую среду.
Для реализации предложенного процесса барботажа разработана экспериментальная установка (рис.1), к которой впоследствии добавим подогреватель, что позволит значительно сократить расходы на сепарацию нефти (рис. 2). Процесс конструирования осуществляем в соответствии с одной из известных концепций научно-технического творчества:
-
Оценка научно-технического наследства;
-
Постановка проблемы и верификация-1, и формирование научно-технической задачи;
-
Трансформирование взятой за основу технологической схемы;
-
Моделирование и верификация-2 [1.,225].
Рис. 1 Барботер в аквариуме (слева), Барботер в нефтегазовом сепараторе (справа).
Методология трансформирования здесь следующая: метафора именная-1 или функциональная (перенос значения с функции насыщения воды кислородом, на функцию вытеснения кислорода из нефти), аналогия (заимствование соответствующей технологии барботажа), интеграционная метафора (добавляем к трубопроводу барботер), плоскостная метафора (аквариум, выполняющий роль цилиндра располагается горизонтально, а мы располагаем рабочий цилиндр вертикально).
Рис. 2. От сепаратора с компрессором к сепаратору с нагревателем.
Методология трансформирования: именная-1 функциональная (перенос значения с функции насыщения воды кислородом, на функцию вытеснения кислорода из нефти), аналогия (заимствование соответствующей технологии барботажа), именная-2 (смысловая) - (добавляем такие свойства как устойчивость и большая производительность), интеграционная метафора (добавляем к трубопроводу барботер), плоскостная метафора (аквариум, выполняющий роль цилиндра располагается горизонтально, тогда, как мы располагаем рабочий цилиндр вертикально).
Устройство работает следующим образом. В закрытую емкость с нефтью (1), через штуцер ввода продукции (2), по наклонным желобам (3), подается нефтегазовая смесь. Одновременно с этим в емкость подается газ с предыдущей ступени сепарации через перфорированные трубы (4). Образующиеся в смеси пузырьки газа за счет подъемной силы всплывают в толще нефти. При их подъеме они соединяются с более мелкими, за счет действия сил поверхностного натяжения, двигающих маленький пузырек к большему. Происходит «слипание» пузырьков, при котором их разделяет стенка толщиной в молекулу нефти. Поскольку давление в газовом пузырьке обратно пропорционально его радиусу, меньший пузырек поглощается большим. Для уменьшения вязкости нефтегазовой смеси устройство оборудовано секционным трубчатым нагревателем (5). Нагреватель приводит к подъему потоку нефтегазовой смеси, снижению ее вязкости, увеличению размеров пузырьков газа, и ускорению их движения вверх. При этом нагреватель имеет одинаковую длину с емкостью сепаратора и установлен на неподвижных опорах (6). Одинаковая длина нагревателя и емкости позволяет увеличить площадь контакта с нефтегазовой смесью.
Выделившийся газ проходит через каплеотбойники (7) и собирается в газосборнике (8). Дегазированная нефть выводится через штуцер вывода (9). Таким образом, происходит сепарация нефти от газа.
Предложенное устройство позволяет эффективно сепарировать нефть от газа и уменьшать вязкость нефти.
Межфазная поверхность в слое смеси может варьироваться за счет изменения размеров пузырька. Задача движения и теплообмена для одиночного пузырька в слое жидкости рассматривается в одномерной системе координат, представленной на (рис.3).
Рис. 3. Схема сил, действующая на пузырек газа в жидкости.
На глубине h0 от поверхности жидкости образуется пузырек радиусом r0 с температурой газа T0. Считается, что на пузырек при его всплытии кроме силы Архимеда и силы тяжести действует также сила гидродинамического сопротивления.
Уравнение движения пузырька вдоль оси х под действием перечисленных сил записывается в виде
mx= - mg - Fc - Fa
где g - ускорение свободного падения, m - масса газа в пузырьке, mg - сила тяжести, Fc - сила сопротивления, Fa - сила Архимеда.
Сила сопротивления, отнесенная к массе пузырька, для сферического пузырька находится из выражения
где v - скорость движения пузырька, r - радиус пузырька, Pж, Pr - плотность газа и жидкости соответственно; cf = f(Re) - коэффициент сопротивления в функции от числа Рейнольдса.
На рис.4 представлен график зависимости взаимодействия пузырьков газа от расстояния между ними, который рассчитывался по формуле Г. К. Гамакера.
где - a, b - размеры малого и большего пузырька соответственно, гm - постоянная Гамакера, 
- квадрат расстояния между рассматриваемыми пузырьками.
Рис. 4.График зависимости взаимодействия пузырьков от расстояния.
В результате поведенных опытов получена зависимость усадки Н (мм) от времени обработки t (рисунок 5).
Рис. 5. График зависимости усадки Н (мм) от времени обработки t (мин).
Расчет Dmax и u пузырька в растворе вязкостью ʋ = 6 м2/с (легкая нефть).
Значение скорости для соответствующего максимального диаметра Dmax.
Известно, что при подогреве вязкой жидкости конвективные потоки над горизонтальным нагревателем поднимаются почти вертикально вверх, а под свободной поверхностью образуется слой горячей жидкости.
Процесс подогрева вязкой жидкости в емкости можно представить в виде идеализированной физической модели. Согласно теории вертикальная составляющая скорости на оси струи
Критерий Грасгофа рассчитывается по следующей формуле:
где
Grx - критерий Грасгофа
ʋ - кинематическая вязкость
х - вертикальная координата
β - температурный коэффициент объемного расширения
θ - величина с размерностью температуры
Про предварительным расчетам получен график зависимости скорости всплытия пузырьков от интенсивности нагрева (рис.6)
Рис. 6. Зависимость скорости всплытия u от подогрева жидкости.
На основании проведенных расчетных и экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что воздействие барботажа и подогрева на газожидкостную смесь снижает ее газосодержание, повышается интенсивность процесса сепарации в 1,5-2,0 раза. В дальнейшем предполагается повысить точность измерений и провести эксперименты на нефти и метане.
English announcement
One of the problems of the commercial collection and preparation of oil, including oil platforms, are losses associated with the imperfect separation systems. As this question is asked to solve the Russian experts?
Список используемых источников
1. Мильштейн Л.М., Бойко С.И., Запорожец Е.П., Нефтегазопромысловая
сепарационная техника: Справочное пособие. М.: Недра, 1992. - 236 с.
2. Персиянцев М.Н. Совершенствование процессов сепарации нефти от газа в промысловых условиях. М.: Недра, 1999. - 283 с.
3. Приставакин И.Н. О проблеме соотношения свободы и необходимости в техническом творчестве. / Каспийский регион: политика, экономика, культура. №2 (31). - Астрахань: «Астраханский университет», 2012. - с. 223-227.
4. "Нефтяное хозяйство". 2001, №3. - с. 85-94.
5. Б. Моцохейн, "Что происходит в нефтяной и газовой промышленности"// Нефтегазовые технологии, 2002, №2. - с.35-39.
Автор: Е. Д. Кожухарь, И. Н. Приставакин, АГТУ
