ما هو منفصل حقول النفط ثلاثي المراحل: التصميم، وير وتحكم الواجهة

ما هو الفاصل ثلاثي الطور لحقول النفط: التصميم والسد والتحكم في الواجهة

الإجابة على السؤال الجوهري:ما هو فاصل حقول النفط ثلاثي الطور؟إن الفاصل ثلاثي الطور لحقول النفط عبارة عن وعاء ضغط أفقي يفصل مجرى البئر إلى غاز ونفط خام ومياه منتجة في غلاف واحد، باستخدام الجاذبية لجميع المراحل الثلاث والأجزاء الداخلية لإدارة الواجهة بين النفط والماء. يتم فصل الغاز بحد سرعة Souders-Brown مع عامل K يبلغ 0.10-0.25 م/ث، بينما يتم فصل الزيت والماء عن طريق الترسيب، مما يتطلب وقت بقاء من 5 إلى 30 دقيقة اعتمادًا على جاذبية API للخام وكثافة المستحلب. يستخدم تقسيم الزيت والماء واحدًا من ثلاثة ترتيبات داخلية: صفيحة سد تحمل طبقة الزيت، أو صندوق على الجانب السفلي من الوعاء يجمع الماء عندما يكون حجم الماء صغيرًا، أو مجموعة دلو وسد حيث يكون كلا الحجمين مهمًا. يعد التحكم في مستوى الواجهة عنصرًا حاسمًا، ويحمل الوعاء المصمم جيدًا نطاق تحكم يتراوح بين 150-300 ملم.

1. الأجزاء الداخلية: كيف يتم فصل الزيت عن الماء

يتم استخدام ثلاثة تكوينات داخلية، ويتم الاختيار من نسبة الماء إلى الزيت:

• تصميم لوحة السد:الترتيب الأكثر شيوعًا لقطع المياه بشكل كبير وثابت. يتم لحام لوحة السد العمودي عبر السفينة جزئيًا على طولها، بحيث يكون الجانب الزيتي في الأعلى والجانب المائي في الأسفل. يدخل خليط الزيت والماء عند نهاية المدخل، ويستقر الماء في الأسفل ويتراكم الزيت في الأعلى، ومع ارتفاع مستوى السائل فوق السد، يتدفق الزيت إلى الحجرة السفلية، حيث يتم سحبه منه تحت التحكم في المستوى. يتم سحب الماء من الجزء السفلي من حجرة المدخل تحت التحكم في مستوى الواجهة. يحدد ارتفاع السد مخزون الزيت وبالتالي وقت بقاء الزيت، وهو العامل الذي يحكم كمية المياه المنفصلة عن الزيت، لذلك يتم تحديد حجم السد من مكان الإقامة المطلوب بدلاً من اختياره بشكل تعسفي. العيب هو أن السد يشغل حجم الوعاء ويخلق حجرة لا يمكن تصريفها إلا ببطء أثناء الصيانة.
• تصميم الحذاء:يُستخدم عندما يكون معدل الماء صغيرًا مقارنة بالزيت، وعادة ما يكون أقل من حوالي 10-20% من قطع الماء، أو حيث يصل الماء بشكل متقطع. بدلاً من تقسيم الوعاء بالطول، يكون الحذاء عبارة عن وعاء صغير رأسي أو أفقي ملحوم بالجانب السفلي من الهيكل الرئيسي بالقرب من نهاية المخرج، حيث يترسب الماء من مصارف الزيت. يتم التحكم في مستوى الزيت في الغلاف الرئيسي ويتم التحكم في واجهة الماء والزيت داخل صندوق الأمتعة، ولأن صندوق الأمتعة صغير، فإن الواجهة تستجيب بسرعة ويكون التحكم فيها أسهل من الوعاء ذي القطر الكامل. تعتبر الأحذية رخيصة الثمن وصغيرة الحجم، ولكنها توفر وقتًا محدودًا لبقاء الماء ولا يمكنها التعامل مع معدلات المياه الكبيرة أو المتقلبة، لذا فهي مناسبة لخدمة النفط الجاف بالمياه العرضية بدلاً من بئر ناضجة ورطبة.
• تصميم الجرافة والسد:عندما تكون أحجام كل من الماء والزيت كبيرة ومدة البقاء مهمة، يجمع ترتيب الدلو والسد بين الاثنين: لوحة السد تحمل الزيت وتوفر مكان إقامة الزيت، في حين أن قسم الدلو، وهو في الأساس حجرة مياه ممتدة، يوفر مكان الإقامة المائي اللازم لخروج قطرات الزيت من الماء واستعادتها بدلاً من فقدانها. وهذا مهم لأن الماء الخارج من الفاصل يحمل معه زيتًا، عادةً ما يتراوح بين 100-1000 ملجم/لتر، وهذا الزيت يمثل خسارة للمنتج ومشكلة في التخلص منه. إن بقاء الماء لفترة أطول يقلل من ذلك، وبما أن حدود تصريف المياه المنتجة عادة ما تكون 20-40 ملغم / لتر في العديد من الولايات القضائية، فقد تم تصميم حجرة المياه وأي وعاء مقشود أو إعصار مائي في اتجاه مجرى النهر معًا وليس بشكل منفصل.
• أجهزة الإدخال والحواجز واستخراج الضباب:يبدأ الفصل عند المدخل، حيث يعمل الإعصار أو الريشة أو جهاز حاجز بسيط على تبديد زخم التيار الوارد وإجراء أول انقسام خشن للغاز والسائل. إن تحقيق هذا الأمر بشكل صحيح هو الإجراء الوحيد الأكثر فعالية، لأن النفاث الداخل الذي يعيد تفتيت السائل يخلق قطرات أقل بكثير من حجم القطع التصميمي الذي لن يستقر فيه أي قدر من وقت البقاء. تعمل حواجز التوزيع المثقبة على طول الوعاء على معادلة سرعة الغاز ومنع توجيهه نحو المخرج، كما يقوم مزيل الضباب، أو وسادة شبكية أو حزمة ريشة، بإزالة القطرات الدقيقة من الغاز قبل أن يغادر. يتم تجهيز كل مخرج سائل بقاطع دوامي، لأن الدوامة الموجودة في المخرج تسحب الغاز إلى أسفل إلى خط السائل وتسبب المشكلة نفسها التي يوجد الوعاء لمنعها.

2. تحديد حجم الفاصل ثلاثي الطور والتحكم فيه

يجب استيفاء معيارين مستقلين، والتحكم في الواجهة هو ما يحدد ما إذا كان التصميم يعمل عمليًا:

• سعة الغاز:يجب أن تكون السفينة واسعة وطويلة بما يكفي بحيث تظل سرعة الغاز أقل من حد Souders-Brown، v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V)، مع K تبلغ 0.10-0.25 م/ث لسفينة أفقية ثلاثية الطور اعتمادًا على نسبة الطول إلى القطر ومزيل الضباب. منطقة تدفق الغاز هي المقطع العرضي فوق مستوى السائل، وبالتالي فإن نقطة ضبط مستوى السائل تؤثر بشكل مباشر على سعة الغاز: السفينة التي تعمل بمستوى سائل مرتفع لديها مساحة غاز أقل وسرعة غاز أعلى، وهذا هو السبب في أن نقطة ضبط المستوى هي جزء من التصميم بدلاً من تفضيل التشغيل. عادةً ما تتحكم سعة الغاز عند نسب عالية من الغاز إلى الزيت وفي بداية عمر الحقل، بينما تتحكم بقاء السائل لاحقًا مع ارتفاع انقطاع المياه.
• وقت بقاء النفط والماء:يتم تحديد حجم الجانب السائل عن طريق الترسيب، باستخدام قانون ستوكس مع أحجام القطرات المناسبة. بالنسبة لقطرات الماء المترسب من النفط، يكون القطع التصميمي عادةً 200-500 ميكرومتر ويعتمد مكان الإقامة المطلوب بشدة على لزوجة النفط، ولهذا السبب تحتاج الخامات الثقيلة التي تقل عن 20 API إلى 20-30 دقيقة بينما قد تحتاج الخامات الخفيفة التي تزيد عن 35 API إلى 5-10 فقط. بالنسبة لقطرات الزيت المتصاعدة من الماء، يكون القطع التصميمي عادةً 150-300 ميكرومتر ويتراوح مكان الإقامة عادةً بين 3-10 دقائق. يتم فحص كليهما بشكل مستقل، ثم يتم تحديد طول الوعاء حسب المتطلبات الأكبر. تساعد درجة الحرارة على حد سواء: تسخين التيار إلى 40-70 درجة مئوية يقلل من لزوجة الزيت، ويزيد من فرق الكثافة ويزعزع استقرار الطبقة البينية، لذلك يتم تزويد العديد من الفواصل ثلاثية الطور بملف تسخين أو يسبقها سخان.
• التحكم في مستوى الواجهة:هذا هو المكان الذي تنجح فيه الفواصل ثلاثية الطور أو تفشل. نادرًا ما تكون الواجهة بين الزيت والماء خطًا حادًا؛ وهو عادة ما يكون عبارة عن شريط مستحلب يتراوح حجمه بين 100-500 مم يحتوي على مواد صلبة، ويجب على جهاز التحكم أن يحمل الواجهة داخل الوعاء بينما ينمو شريط المستحلب وينكمش بمعدل ومع الجرعات الكيميائية. قياس الضغط التفاضلي غير كاف لأن فرق الكثافة بين الزيت والماء صغير، وبالتالي فإن الإشارة ضعيفة وتهيمن الأخطاء على المدى؛ بدلا من ذلك، يتم استخدام مجسات السعة أو التوصيل، أو رادار الموجة الموجهة، أو محلل الكثافة النووية في الخدمة الشديدة. يجب أن يكون نطاق التحكم عريضًا بما يكفي للتشغيل، عادةً 150-300 مم، ويحتاج كل من مستوى الزيت والواجهة إلى قياس مستقل مع أجهزة الإنذار، وبالنسبة لمخرج الغاز، يحتاج إلى رحلة عالية المستوى.
• مشاكل التشغيل: المستحلب والرمل والرغوة:ثلاث مشاكل تمثل معظم شكاوى الأداء. تراكم المستحلب في الواجهة، والذي ينمو حتى يحتل جزءًا كبيرًا من الوعاء ويخرج في النهاية مع كل من الزيت والماء؛ يتم إدارتها عن طريق حقن مزيل الاستحلاب في المنبع، عن طريق الحرارة، عن طريق التصريف الدوري لشريط المستحلب من خلال فوهة مخصصة، وعدم السماح للشريط بالتراكم لعدة أشهر. الرمال، التي تترسب تحت الماء، تقلل من حجم العمل وتؤدي إلى تآكل المخارج؛ تتم إزالته عن طريق النفث، وحيثما يكون إنتاج الرمال مستمرًا، بواسطة نظام مخصص للتعامل مع الرمال. الرغوة، التي تتشكل عندما ينفصل الغاز عن الزيت اللزج أو الملوث ويمكن أن تملأ مساحة البخار وتنقل إلى مخرج الغاز؛ ويتم التحكم فيه عن طريق الحقن المضاد للرغوة، وبجهاز مدخل فعال، ومن خلال الحفاظ على مستوى السائل أقل من النقطة التي تصل فيها الرغوة إلى مزيل الضباب.

مصفوفة التكوينات الداخلية للفاصل ثلاثي الطور

الأسئلة المتداولة (الأسئلة الشائعة)

س: كيف يمكنك تحديد حجم فاصل ثلاثي الطور لحقول النفط؟

ج: هناك معياران مستقلان، ويجب استيفاء كلاهما. أولاً، سعة الغاز: قم بتطبيق معادلة Souders-Brown مع عامل K بقيمة 0.10-0.25 م/ث للعثور على الحد الأدنى لمساحة تدفق الغاز، مع تذكر أن مساحة الغاز هي المقطع العرضي فوق مستوى السائل، وبالتالي فإن نقطة ضبط المستوى هي أحد مدخلات التصميم. ثانيًا، بقاء السائل: بالنسبة لقطرات الماء التي يتراوح حجمها بين 200 و500 ميكرومتر لتستقر خارج الزيت، يجب السماح بالبقاء على أساس لزوجة الزيت، عادةً من 5 إلى 30 دقيقة اعتمادًا على جاذبية API؛ وبالنسبة لقطرات الزيت التي يبلغ حجمها 150-300 ميكرومتر لترتفع من الماء، اتركها لمدة 3-10 دقائق. احصل على أكبر نتيجة، وتحقق من حالة الهبوط عند 30-50% من التصميم، وتأكد من أن نطاق التحكم في الواجهة لا يقل عن 150-300 مم. يوفر API 12J إطار عمل الصناعة، ومن الممارسات الجيدة التحقق من حالة العمر المتأخر مع قطع المياه المرتفع بشكل منفصل عن حالة معدل الغاز المرتفع في وقت مبكر.

س: لماذا يعد التحكم في مستوى الواجهة أمرًا صعبًا للغاية؟

ج: ثلاثة أسباب. فرق الكثافة صغير: النفط الخام عند 850 كجم/م3 مقابل الماء المنتج عند 1020 كجم/م3 يمثل فرقًا يبلغ حوالي 17% فقط، لذا فإن جهاز إرسال الضغط التفاضلي بدقة نموذجية يعطي إشارة بها خطأ نسبي كبير ويمكن أن تتحرك الواجهة بشكل كبير قبل أن تستجيب وحدة التحكم. الواجهة ليست خطًا ولكنها شريط: طبقة مستحلب من 100-500 مم، وأحيانًا أكثر، تتطور بين المراحل، وتنمو وتتقلص مع المعدل ومع درجة الحرارة ومع الجرعات الكيميائية، وبالتالي فإن جهاز التحكم يتتبع هدفًا متحركًا بدلاً من الحدود الثابتة. ويتفاعل المخرجان: سحب المزيد من الماء يحرك الواجهة إلى الأسفل، مما يغير مكان إقامة الزيت وبالتالي جودة الزيت، لذلك يجب ضبط الحلقتين معًا وليس بشكل مستقل. ولهذا السبب يتم استخدام كاشفات السعة أو التوصيل أو الواجهة النووية بدلاً من الضغط التفاضلي.

س: ما هو النطاق المستحلب وكيف يتم إدارته؟

ج: إن شريط المستحلب هو طبقة من مستحلب الماء في الزيت أو مستحلب الزيت في الماء غير المتحلل الذي يتراكم عند السطح البيني، ويتم تثبيته بواسطة الأسفلتين والراتنجات والمواد الصلبة الدقيقة والمواد الكيميائية النشطة سطحيًا. ويتشكل لأن وقت المكوث في الوعاء ليس كافيًا لكسر المستحلب الأكثر إحكامًا، وبالتالي فإن المادة التي لم يتم حلها ليس لها مكان تذهب إليه وتتجمع عند الحدود. إذا ترك بمفرده ينمو حتى يشغل جزءًا كبيرًا من مساحة السائل، مما يقلل من الإقامة الفعالة لكلا المرحلتين، وفي النهاية يخرج مع الزيت مسببًا رواسب قاعدية وماء غير مواصفة، أو مع الماء مسببًا ارتفاع الزيت في الماء. تتم الإدارة عن طريق حقن مزيل الاستحلاب عند المنبع بمعدل 5-50 جزء في المليون، عن طريق التسخين، عن طريق تصريف النطاق بشكل دوري من خلال فوهة مخصصة موجودة في الواجهة، وعن طريق عدم تركه يتراكم لعدة أشهر بين التدخلات. يعد النطاق الصاعد، الذي يتم قياسه باستخدام ملف تعريف نووي أو يتم استنتاجه من قراءة الواجهة المنجرفة، بمثابة إنذار مبكر لوجود مزيل الاستحلاب أو مشكلة التوافق الكيميائي.

س: ما هي الجودة التي يمكن أن يحققها الفاصل ثلاثي الطور؟

ج: الأرقام النموذجية، التي تعتمد بشكل كبير على النفط الخام وعلى وقت البقاء، هي الماء في النفط بنسبة 0.5-5% عند منفذ النفط والنفط في الماء بنسبة 100-1000 ملغم/لتر عند مخرج المياه، مع ترحيل الغاز أقل من 0.1 جالون أمريكي لكل مليون قدم مكعب قياسي. وهذا ليس جيدًا بما فيه الكفاية سواء للبيع أو التخلص: يتطلب النفط الخام المباع رواسب أساسية ومياه أقل من 0.5٪ وملح أقل من 10 رطل لكل ألف برميل، والتي يتم الوصول إليها في جهاز معالجة السخان ووحدة إزالة الملوحة الكهروستاتيكية، في حين أن حدود تصريف المياه المنتجة أو إعادة الحقن تتطلب عادةً وجود زيت في الماء أقل من 20-40 ملجم / لتر، ويتم الوصول إليه باستخدام وعاء منزوع الدسم أو الأعاصير المائية أو تعويم الغاز المستحث. وبالتالي فإن الفاصل ثلاثي الطور هو خطوة إزالة المواد السائبة التي تتمثل مهمتها في جعل المعدات النهائية صغيرة وموثوقة، وليس إنتاج النفط القابل للبيع والمياه القابلة للتصرف بمفردها.