CC BY
77
УДК 622.323
Ю. С. Вязовой
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ, ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ПОДГОТОВКЕ НЕФТИ, МЕТОДОМ ОТДУВКИ В КОЛОННЫХ АППАРАТАХ НА МОРСКИХ НЕФТЕДОБЫВАЮЩИХ ПЛАТФОРМАХ СЕВЕРА КАСПИЙСКОГО МОРЯ
Описана опробованная конструкция гофрированной массообменной насадки и ее близкий аналог. Принцип действия насадки основан на том, что мелкие пузырьки газа, растворенные в нефти, уносятся газом отдувки, подаваемым в аппарат. Описана технологическая схема лабораторной установки, состоящей из двух связанных контуров разного назначения, и ее модификации для проведения эксперимента по теплообмену. Первый контур предназначен для приготовления смеси газа и жидкости. Основная задача второго - отделение газа (барботиро-вание в другом режиме работы). После каждого из блоков имеется точка для отбора проб. Описана последовательность проведения экспериментов. Приведены результаты экспериментов по сепарации и теплообмену. Эксперимент по сепарации показывает, что требуемого значения остаточного содержания газа в жидкости можно добиться при более низких значениях соотношения жидкости и продувочного газа, что важно для промысловой подготовки нефти. Рассмотрены причины снижения температуры при противоточном пропускании жидкости и газа. Экспериментально выявлено, что на ход процесса влияет расход подаваемого газа и давление насыщенных паров жидкости, а следовательно, ее температура.
Ключевые слова: сепарация, промысловая подготовка, лабораторная установка, нефте-газосепаратор, массообмен, унос жидкости.
Введение
В 2009 г. на Северном Каспии с помощью ледостойкой платформы ЛСП-1 началась разработка месторождения им. Юрия Корчагина [1]. В настоящее время добыча попутного газа превышает проектное значение в 1,5 раза. Этот избыток газа можно направить на сепарацию нефти методом противоточной отдувки, поскольку газ, оставшийся в нефти, уносит с собой некоторое количество «ценных» легких углеводородов, выделяясь в резервуарах. Такие потери, по разным данным, достигают от 2 до 5 % общей добычи нефти. По этой причине все еще актуален поиск новых способов отделения газа. За последние два десятилетия разработана технология сепарации нефти при помощи противоточного пропускания нефти и газа в каналах контактной насадки, представляющей собой пакет гофрированных пластин, закрепленных в колонном аппарате [2].
Сепарация методом отдувки проводится в вертикальных аппаратах, более компактных по сравнению с горизонтальными сепараторами, что актуально для морских нефтедобывающих платформ. Схема подготовки нефти методом отдувки предусматривает подачу газа с первых ступеней сепарации в вертикальный сепаратор последней ступени в направлении противоположном движению нефти.
Известно, что при пропускании газа происходит унос некоторого количества легких углеводородов газом и снижение температуры нефти на выходе из сепараторов [2, 3], но связи этих процессов никто не исследовал.
Целью нашей работы являлось экспериментальное исследование сепарации нефти методом отдувки в колонном аппарате и изучение сопутствующего процесса теплообмена. Задачи исследования - создание лабораторной установки, проведение экспериментов по дегазации и теплообмену, анализ полученных данных.
Экспериментальная работа
К настоящему времени созданы и эксплуатируются колонны, предназначенные для отдувки от товарной нефти остатков попутного газа и сероводорода. Анализ литературных данных позволяет сделать вывод, что соотношение расхода нефти и газа должно быть не менее 1 : 5 соответственно [4]. Дальнейшее увеличение расхода газа приводит к уносу нефти продувочным газом.
В [5] описана конструкция насадки, опробованной экспериментально. Насадка 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.
Течение жидкости носит ламинарный характер, а взаимодействие с газом происходит в пленочном режиме, что исключает возможность пенообразования. Газовые пузырьки, содержащиеся в нефти, соединяются в объеме пленки, стекающей по поверхности насадки, с пузырьками продувочного газа, образующимися за счет его противоточной подачи. Существенный недостаток конструкции, описанной в [3], - наличие вертикальных струн между гофрированными пластинами и, следовательно, относительная сложность ее изготовления.
Проверку предлагаемой конструкции производили на установке, схема которой представлена на рис. 1. В целях безопасности, а также основываясь на теории подобия, мы решили проводить эксперименты на воде, поэтому далее будем рассматривать зависимости с учетом свойств этого вещества.
В состав установки входят два контура - контур газонасыщения и контур разгазирования. Контур газонасыщения состоит из емкости сатуратора 1 для приготовления газонасыщенного раствора и циркуляционного насоса 3 для непрерывного обращения жидкости через емкость 1. В этот контур подается также газ для смешивания с жидкостью, а качество получаемой смеси контролируется посредством отбора проб через пробоотборную точку 6. На выходном патрубке сатуратора установлена термопара для контроля температуры циркулирующей жидкости.
1 2
Рис. 1. Схема лабораторной установки
Контур сепарации состоит из экспериментального сепаратора 2, представляющего собой короб размерами 250 х 200 х 1500 мм с четырьмя отверстиями, в верхней части которого помещены распределитель жидкости и исследуемая контактная насадка высотой 700 мм, а в нижней, высотой 400 мм, скапливается отсепарированная жидкость; циркуляционного вихревого насоса 4 для выкачивания жидкости в контур газонасыщения; компрессора (не показан). Качество сепарации контролируется посредством отбора проб через пробоотборную точку 5. Общий вид установки представлен на рис. 2. В качестве расходомеров в контурах использовались счетчики для воды СГВ-16, а расход газа отдувки измерялся счетчиками газа СГБМ-1,6. Температура измерялась термодатчиками, входящими в состав цифрового термометра BM1707.
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 опорожнение нижней части камеры. Это позволяет поддерживать уровень жидкости на одной отметке и осуществлять непрерывное газонасыщение и дегазацию [5].
Рис. 2. Общий вид экспериментальной установки
Эксперименты начинали с соотношения расхода жидкости (12-15 л/мин) и газа (70-90 л/мин) 1 : 6 и постепенно уменьшали подачу газа (до 20 л/мин), при это сначала необходимо было добиться стабильности протекания двух противоположных процессов - насыщения жидкости газом и дегазации. Затем постепенно уменьшали подачу газа при постоянном расходе жидкости [6]. На рис. 3 приведен обобщенный график зависимости соотношения расхода жикости и газа и остаточного содержания газа в пробах, отобранных после камеры сепарации.
з
£ 2,5
2 3 4 5 6
Соотношение расходов жидкости и газа
Рис. 3. Диаграмма зависимости соотношения расхода жидкости и газа и остаточного содержания газа
При снижении расхода газа (1 : 3 и менее) наблюдается повышение остаточного содержания газа в пробе. При соотношении 1 : 3,5 наблюдается переход к приемлемому значению и с повышением расхода газа отдувки оно практически не меняется.
Природа процесса снижения температуры при пропускании газа через жидкость заключается в испарении жидкости в объем газовых пузырей, перемещающихся в ней. Для оценки условий, приводящих к снижению температуры жидкости в процессе отдувки, использовалось соотношение
2 = г • т,
(1)
где 2 - количество теплоты; г - теплота парообразования при определенной температуре; т -масса вещества.
Изменение количества теплоты для воды будет оцениваться выражением
ййж = Сж-тж-^,
(2)
где сж - теплоемкость жидкости; тж - масса жидкости; & - изменение температуры.
Значение удельной теплоты парообразования воды увеличивается с уменьшением температуры от 2,26 МДж/кг для 100 °С до 2,47 МДж/кг для 10 °С; в свою очередь, давление насыщенных паров увеличивается с повышением температуры и равно 1227 Па для 10 °С и 0,101 МПа для 100 °С [7]. Расчет по формулам (1) и (2) при использовании данных теплоемкости и теплоты парообразования для воды позволяет сделать вывод, что кривая изменения температуры падает тем сильнее, чем она выше. При пропускании через толщу жидкости воздуха с постоянным расходом может наступить такой момент, при котором испарение в объем газового пузыря прекратится. Сходный эффект наблюдается при сепарации и отстаивании нефти. Отметим, что легкие углеводороды с высоким давление насыщенных паров выделяются в газообразном виде, что приводит к нежелательным потерям.
Для исследования процесса теплообмена при отдувке в установку были внесены изменения -вместо камеры установили вертикальную трубу диаметром 50 мм и высотой 1,5 м, внутри которой сверху и снизу поместили термодатчики с выводом графиков на компьютер. В трубу заливался 1 кг жидкости (воды или смеси воды и изопропилового спирта), а снизу, через штуцер диаметром 10 мм, подавался воздух с постоянным расходом. На рис. 4 приведены результаты эксперимента.
500
1000 „ 1500
Время, с
2000
2500
Рис. 4. Зависимость изменения температуры жидкости от времени. Цифрами отмечен расход воздуха, л/мин: 1-4 -для смеси спирта и воды: 1 - 24; 2 - 31; 3 - 33; 4 - 58; 5-8 - для чистой воды: 5 - 22; 6 - 28,5; 7 - 47; 8 - 43,6
Как видно из рис. 4, чем выше температура жидкости, тем больше разница значений начальной и конечной температуры и падение температуры происходит более интенсивно, что обусловлено высоким значением давления насыщенных паров. При пропускании газа с посто-
янным расходом (например, 30 л/мин) наступает момент (22,2 °С), когда температура жидкости не меняется. Для дальнейшего снижения температуры было необходимо увеличить расход воздуха. Этот же эффект характерен и для смеси воды и изопропилового спирта. Это свидетельствует о том, что давление насыщенных паров для данной температуры минимально, испарение более не происходит и подаваемый воздух уносит максимальное для его расхода количество теплоты. Это обстоятельство накладывает ограничение на количество газа, подаваемого на от-дувку, т. е. соотношение расхода жидкости и газа должно лимитироваться оптимальными значениями, при которых остаточное содержание газа и унос жидкости (легких компонентов) из аппарата будут минимальными.
Выводы
Обработка экспериментальных данных показала, что:
1. Предлагаемая конструкция позволяет добиться эффекта, описанного в литературе, при меньших расходах газа отдувки - 1 : 3,5 при объемном расходе жидкости 12-15 л/мин, против опробованных 1 : 5; газосодержание снижается с 4 % до величины менее 0,5 %.
2. Расход газа отдувки является фактором, влияющим на унос легких фракций из аппарата, и должен лимитироваться оптимальным значением, при котором остаточное содержание газа и унос жидкости (легких компонентов) из аппарата будут минимальными.
3. Исследованная насадка позволяет снизить расход газа, подаваемого в сепаратор, а следовательно, и нагрузку на компрессоры дожимных станций нефтедобывающей платформы.
4. Необходимо ограничивать температуру нефти на входе в аппарат так, чтобы давление насыщенных паров нефти, выводимой из аппарата, было минимальным.
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Шишкин Н. Д. Применение индукционного подогрева нефти при ее транспортировке от месторождений на Северном Каспии / Н. Д. Шишкин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. 2011. № 3. С. 52-56.
2. Тронов В. П. Сепарация газа и сокращение потерь нефти / В. П. Тронов. Казань: ФЭН, 2002. 407 с.
3. Персиянцев М. Н. Совершенствование процессов сепарации нефти от газа в промысловых условиях / М. Н. Персиянцев. М.: Недра-Бизнесцентр, 1999. 365 с.
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. Вязовой Ю. С. Лабораторное моделирование процесса сепарации нефти методом отдувки в вертикальном сепараторе / Ю. С. Вязовой // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2014. № 1 (57). С. 18-22.
6. Вязовой Ю. С. Лабораторное моделирование промысловой сепарации нефти методом отдувки в вертикальном сепараторе / Ю. С. Вязовой, Н. Д. Шишкин // Геология, география и глобальная энергия. 2014. № 3. С. 59-60.
7. Инженерный справочник DPVA.info. Свойства воды при различных температурах // URL: http://www.dpva.info/Guide/GuideMedias/GuideWater/GuideWater1bar0to100deg (дата обращения: 25.09.2014).
Статья поступила в редакцию 9.10.2014
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
Вязовой Юрий Сергеевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Машины и оборудование нефтяных и газовых промыслов»; Vjazovoy.ne@rambler.ru.
Yu. S. Vyazovoy
EXPERIMENTAL STUDY OF THE PROCESSES OCCURRING WHILE OIL PREPARATION BY THE METHOD OF STRIPPING AT MARINE OIL PLATFORMS IN THE NORTHERN CASPIAN
Abstract. The tested design of the corrugated mass transfer packing and its closest analogue are described. The principle of operation of the packing is based on the fact that small bubbles of gas, dissolved in the oil, are entrained with gas supplied to the stripping apparatus. The technological scheme of the laboratory unit, consisting of two coupled circuits for different purposes, and its modification for the experiment on heat transfer. The first circuit is used for mixing gas and liquid. The main task of the second one is the separation of gas (bubbling in a different mode of operation). After each of the blocks there is a point for sampling. The sequence of the experiments is described. The results of the experiments on separation and heat transfer are given. The experiment on separation shows that the desired value of the residual gas content in the liquid can be achieved at lower ratios of liquid and purge gas that is important for field oil. The causes of decrease in temperature at countercurrent passage of liquid and gas are considered. The experiment showed that the gas flow rate, the pressure of the liquid vapour and, hence, its temperature influence the process.
Key words: separation, field preparation, laboratory installation, oil and gas separator, mass transfer, liquid entrainment.
REFERENCES
1. Shishkin N. D. Primenenie induktsionnogo podogreva nefti pri ee transportirovke ot mestorozhdenii na Severnom Kaspii [Use of induction heating of oil at its transportation from the fields in the Northern Caspian]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2011, no. 3, pp. 52-56.
2. Tronov V. P. Separatsiia gaza i sokrashchenie poter' nefti [Gas separation and reduction of oil losses]. Kazan, FEN, 2002. 407 p.
3. Persiiantsev M. N. Sovershenstvovanie protsessov separatsii nefti ot gaza v promyslovykh usloviiakh [Improvement of the processes of separation of oil from gas in commercial conditions]. Moscow, Nedra-Biznestsentr Publ., 1999. 365 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 refinement from hydrocarbon]. Neftianoe khoziaistvo, 2008, no. 7, pp. 82-85.
5. Viazovoi Iu. S. Laboratornoe modelirovanie protsessa separatsii nefti metodom otduvki v vertikal'nom separatore [Laboratory modeling of the process of oil separation using the method of stripping in the vertical separator]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2014, no. 1 (57), pp. 18-22.
6. Viazovoi Iu. S., Shishkin N. D. Laboratornoe modelirovanie promyslovoi separatsii nefti metodom ot-duvki v vertikal'nom separatore [Laboratory modeling of industrial separation using the method of stripping in the vertical separator]. Geologiia, geografiia i global'naia energiia, 2014, no. 3, pp. 59-60.
7. Inzhenernyi spravochnik DPVA.info. Svoistva vody pri razlichnykh temperaturakh [Engineer reference DPVA.info. Properties of water at different temperatures]. Available at: http://www.dpva.info/Guide/Guide Medias/GuideWater/GuideWater 1bar0to100deg (accessed: 25.09.2014).
The article submitted to the editors 9.10.2014
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Vyazovoy Yuriy Sergeevich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Machines and Equipment of Oil and Gas Industry"; Vjazovoy.ne@rambler.ru.
