Was ist ein Ölfelddrei-Phasen-Trennvorrichtung: Konstruktion, Weir und Schnittstellensteuerung

Was ist ein Drei-Phasen-Abscheider im Ölfeld: Design, Überlaufwehr und Grenzflächenregelung

Beantwortung der Kernfrage: Was ist ein Drei-Phasen-Abscheider im Ölfeld? Ein Drei-Phasen-Abscheider im Ölfeld ist ein horizontaler Druckbehälter, der einen Bohrlochstrom in einem einzigen Mantel in Gas, Rohöl und Produktionswasser trennt, wobei die Schwerkraft für alle drei Phasen genutzt wird und Einbauten zur Steuerung der Öl-Wasser-Grenzfläche dienen. Gas wird nach der Souders-Brown-Geschwindigkeitsgrenze mit einem K-Faktor von 0,10-0,25 m/s abgetrennt, während Öl und Wasser durch Sedimentation getrennt werden, was eine Verweilzeit von 5-30 Minuten erfordert, abhängig von der API-Dichte des Rohöls und der Dichtigkeit der Emulsion. Die Öl-Wasser-Trennung erfolgt über eine von drei internen Anordnungen: eine Überlaufplatte, die die Ölschicht zurückhält, ein Stiefel (Boot) an der Unterseite des Behälters, der Wasser sammelt, wenn das Wasservolumen gering ist, oder eine Kombination aus Eimer und Überlaufwehr, wenn beide Volumina signifikant sind. Die Grenzflächenpegelregelung ist das kritische Element, und ein gut konstruierter Behälter hält ein Regelband von 150-300 mm ein.

1. Einbauten: Wie die Öl-Wasser-Trennung erfolgt

Drei interne Konfigurationen werden verwendet, und die Wahl ergibt sich aus dem Verhältnis von Wasser zu Öl:

• Design der Überlaufplatte: Die gebräuchlichste Anordnung für einen signifikanten, konstanten Wasseranteil. Eine vertikale Überlaufplatte wird teilweise entlang der Länge des Behälters quer durchgeschweißt, wobei die Ölseite stromaufwärts und die Wasserseite stromabwärts liegt. Das Öl-Wasser-Gemisch tritt am Einlassende ein, Wasser setzt sich unten ab und Öl sammelt sich oben an. Wenn der Flüssigkeitsspiegel über das Überlaufwehr steigt, fließt das Öl in das stromabwärts gelegene Abteil, aus dem es unter Pegelregelung abgelassen wird. Wasser wird unter Grenzflächenpegelregelung aus dem Boden des Einlassabteils abgelassen. Die Höhe des Überlaufwehrs bestimmt das Ölvolumen und damit die Ölverweilzeit, die der Parameter ist, der bestimmt, wie viel Wasser aus dem Öl abgetrennt wird. Daher wird das Überlaufwehr aus der erforderlichen Verweilzeit bemessen und nicht willkürlich gewählt. Der Nachteil ist, dass das Überlaufwehr Behältervolumen beansprucht und ein Abteil schafft, das während der Wartung nur langsam entleert werden kann.
• Design des Stiefels (Boot): Wird verwendet, wenn die Wasserrate im Verhältnis zum Öl gering ist, typischerweise unter etwa 10-20% Wasseranteil, oder wenn das Wasser intermittierend ankommt. Anstatt den Behälter der Länge nach zu teilen, ist ein Stiefel ein kleiner vertikaler oder horizontaler Behälter, der an der Unterseite des Hauptmantels nahe dem Auslassende angeschweißt ist, in den absetzendes Wasser aus dem Öl abläuft. Der Ölspiegel wird im Hauptmantel geregelt und die Wasser-Öl-Grenzfläche wird im Stiefel geregelt. Da der Stiefel klein ist, reagiert die Grenzfläche schnell und ist leichter zu regeln als in einem Behälter mit vollem Durchmesser. Stiefel sind preiswert und kompakt, bieten aber eine begrenzte Wasserverweilzeit und können keine großen oder schwankenden Wasserraten bewältigen, daher eignen sie sich für trockene Ölförderung mit gelegentlichem Wasser und nicht für eine ausgereifte, nasse Bohrung.
• Design mit Eimer und Überlaufwehr: Wenn sowohl das Wasser- als auch das Ölvolumen beträchtlich sind und beide Verweilzeiten wichtig sind, kombiniert eine Eimer- und Überlaufwehr-Anordnung die beiden: Eine Überlaufplatte hält das Öl zurück und sorgt für Ölverweilzeit, während ein Eimerabschnitt, im Wesentlichen ein erweitertes Wasserabteil, die für die Rückgewinnung von Öltröpfchen aus dem Wasser erforderliche Wasserverweilzeit bietet, anstatt sie zu verlieren. Dies ist wichtig, da das aus einem Abscheider austretende Wasser Öl mit sich führt, typischerweise 100-1.000 mg/L, und dieses Öl sowohl ein Produktverlust als auch ein Entsorgungsproblem darstellt. Eine längere Wasserverweilzeit reduziert dies, und da die Grenzwerte für die Einleitung von Produktionswasser in vielen Gerichtsbarkeiten üblicherweise 20-40 mg/L betragen, werden das Wasserabteil und jedes nachgeschaltete Abscheidegefäß oder jeder Hydrozyklon gemeinsam und nicht getrennt ausgelegt.
• Einlassvorrichtungen, Prallbleche und Nebelabscheidung: Die Trennung beginnt am Einlass, wo eine zyklonartige, eine Schaufel- oder eine einfache Prallblechvorrichtung den Impuls des einströmenden Stroms zerstreut und die erste grobe Gas-Flüssigkeits-Trennung durchführt. Dies richtig zu machen, ist die wirksamste Maßnahme, da ein Einlassstrahl, der Flüssigkeit neu zerstäubt, Tröpfchen weit unterhalb der Auslegungskorngröße erzeugt, die keine Verweilzeit abscheiden kann. Perforierte Verteilungsprallbleche entlang des Behälters gleichen die Gasgeschwindigkeit aus und verhindern Kanalbildung zum Auslass, und ein Nebelabscheider, eine Maschenmatte oder ein Schaufelpaket, entfernt feine Tröpfchen aus dem Gas, bevor es austritt. Jeder Flüssigkeitsauslass ist mit einem Wirbelbrecher ausgestattet, da ein Wirbel am Auslass Gas in die Flüssigkeitsleitung zieht und genau das Problem verursacht, das der Behälter verhindern soll.

2. Dimensionierung und Regelung eines Drei-Phasen-Abscheiders

Zwei unabhängige Kriterien müssen beide erfüllt sein, und die Grenzflächenregelung bestimmt, ob das Design in der Praxis funktioniert:

• Gaskapazität: Der Behälter muss breit und lang genug sein, damit die Gasgeschwindigkeit unter der Souders-Brown-Grenze v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V) bleibt, mit K von 0,10-0,25 m/s für einen horizontalen Drei-Phasen-Behälter, abhängig vom Längen-Durchmesser-Verhältnis und dem Nebelabscheider. Die Gasströmungsfläche ist der Querschnitt oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, daher beeinflusst der eingestellte Flüssigkeitsspiegel direkt die Gaskapazität: Ein Behälter, der mit einem hohen Flüssigkeitsspiegel betrieben wird, hat weniger Gasfläche und eine höhere Gasgeschwindigkeit, weshalb der eingestellte Spiegel ein Teil des Designs und keine Betriebspräferenz ist. Die Gaskapazität bestimmt normalerweise bei hohen Gas-Öl-Verhältnissen und im frühen Stadium eines Feldes, während die Flüssigkeitsverweilzeit später bestimmt, wenn der Wasseranteil steigt.
• Öl- und Wasserverweilzeit: Die Flüssigkeitsseite wird durch Sedimentation bemessen, wobei das Stokes'sche Gesetz mit den entsprechenden Tröpfchengrößen verwendet wird. Für Wasserteilchen, die aus Öl absinken, beträgt die Auslegungskorngröße typischerweise 200-500 Mikrometer, und die erforderliche Verweilzeit hängt stark von der Ölviskosität ab, weshalb schwere Rohöle unter etwa 20 API 20-30 Minuten benötigen, während leichte Rohöle über 35 API nur 5-10 Minuten benötigen können. Für Öltröpfchen, die aus Wasser aufsteigen, beträgt die Auslegungskorngröße typischerweise 150-300 Mikrometer, und die Verweilzeit beträgt normalerweise 3-10 Minuten. Beide werden unabhängig voneinander geprüft, und die Behälterlänge wird dann durch die größere Anforderung bestimmt. Wärme hilft beiden: Das Erhitzen des Stroms auf 40-70 °C senkt die Ölviskosität, erhöht die Dichtedifferenz und destabilisiert den Grenzflächenfilm, daher sind viele Drei-Phasen-Abscheider mit einer Heizschlange ausgestattet oder werden von einem Erhitzer vorgeschaltet.
• Grenzflächenpegelregelung: Hier scheitern oder gelingen Drei-Phasen-Abscheider. Die Grenzfläche zwischen Öl und Wasser ist selten eine scharfe Linie; es ist normalerweise ein Emulsionsband von 100-500 mm, das Feststoffe enthält, und der Regler muss die Grenzfläche im Behälter halten, während das Emulsionsband mit der Rate und der chemischen Dosierung wächst und schrumpft. Die Differenzdruckmessung ist unzureichend, da die Dichtedifferenz zwischen Öl und Wasser gering ist, das Signal schwach ist und die Spanne von Fehlern dominiert wird; stattdessen werden Kapazitäts- oder Leitfähigkeitssonden, geführte Radarsonden oder ein nuklearer Dichteprofiler bei starker Beanspruchung verwendet. Das Regelband muss breit genug sein, um zu arbeiten, typischerweise 150-300 mm, und sowohl der Ölspiegel als auch die Grenzfläche benötigen eine unabhängige Messung mit Alarmen und für den Gasauslass eine Hoch-Hoch-Pegelabschaltung.
• Betriebsprobleme: Emulsion, Sand und Schaum: Drei Probleme sind für die meisten Leistungsprobleme verantwortlich. Emulsionsaufbau an der Grenzfläche, der wächst, bis er einen großen Teil des Behälters einnimmt und schließlich mit Öl und Wasser austritt; er wird durch Demulgatoreinspritzung stromaufwärts, durch Wärme, durch periodisches Ablassen des Emulsionsbandes durch eine spezielle Düse und durch Vermeidung der Ansammlung des Bandes über Monate hinweg bewältigt. Sand, der sich unter dem Wasser absetzt, reduziert das Arbeitsvolumen und erodiert die Auslässe; er wird durch Jetting entfernt, und wo Sandproduktion kontinuierlich ist, durch ein spezielles Sandhandhabungssystem. Schaum, der sich bildet, wenn Gas aus viskosem oder kontaminiertem Öl ausbricht und den Dampfraum füllen und in den Gasauslass getragen werden kann; er wird mit Antischaumeinspritzung, mit einer effektiven Einlassvorrichtung und durch Halten des Flüssigkeitsspiegels unterhalb des Punktes, an dem der Schaum den Nebelabscheider erreicht, kontrolliert.

Matrix der internen Konfigurationen von Drei-Phasen-Abscheidern

Häufig gestellte Fragen (FAQ)

F: Wie dimensioniert man einen Drei-Phasen-Abscheider im Ölfeld?

A: Zwei unabhängige Kriterien, die beide erfüllt sein müssen. Erstens, Gaskapazität: Wenden Sie die Souders-Brown-Gleichung mit einem K-Faktor von 0,10-0,25 m/s an, um die minimale Gasströmungsfläche zu ermitteln, wobei zu beachten ist, dass die Gasfläche der Querschnitt oberhalb des Flüssigkeitsspiegels ist, so dass der eingestellte Spiegel eine Designeingabe ist. Zweitens, Flüssigkeitsverweilzeit: Damit Wasserteilchen von 200-500 Mikrometern aus dem Öl absinken können, planen Sie eine Verweilzeit basierend auf der Ölviskosität ein, typischerweise 5-30 Minuten, abhängig von der API-Dichte; und damit Ölteilchen von 150-300 Mikrometern aus dem Wasser aufsteigen können, planen Sie 3-10 Minuten ein. Nehmen Sie das größte Ergebnis, prüfen Sie den Turndown-Fall bei 30-50% des Designs und bestätigen Sie, dass das Grenzflächenregelband mindestens 150-300 mm beträgt. API 12J bietet den Branchenrahmen, und es ist gute Praxis, den Fall des späten Lebens mit hohem Wasseranteil separat vom Fall der frühen Lebensphase mit hoher Gasrate zu prüfen.

F: Warum ist die Grenzflächenpegelregelung so schwierig?

A: Drei Gründe. Die Dichtedifferenz ist gering: Rohöl mit 850 kg/m³ gegenüber Produktionswasser mit 1.020 kg/m³ ist ein Unterschied von nur etwa 17%, so dass ein Differenzdrucktransmitter mit typischer Genauigkeit ein Signal mit einem großen relativen Fehler liefert und die Grenzfläche sich erheblich bewegen kann, bevor der Regler reagiert. Die Grenzfläche ist keine Linie, sondern ein Band: Eine Emulsionsschicht von 100-500 mm, manchmal mehr, bildet sich zwischen den Phasen und wächst und schrumpft mit der Rate, mit der Temperatur und mit der chemischen Dosierung, so dass der Regler ein sich bewegendes Ziel und keine feste Grenze verfolgt. Und die beiden Auslässe interagieren: Das Abziehen von mehr Wasser bewegt die Grenzfläche nach unten, was die Ölverweilzeit und damit die Ölqualität verändert, so dass die beiden Schleifen zusammen und nicht unabhängig voneinander abgestimmt werden müssen. Deshalb werden Kapazitäts-, Leitfähigkeits- oder nukleare Grenzflächendetektoren gegenüber Differenzdruck bevorzugt.

F: Was ist ein Emulsionsband und wie wird es gehandhabt?

A: Das Emulsionsband ist die Schicht aus ungelöstem Wasser-in-Öl- oder Öl-in-Wasser-Emulsion, die sich an der Grenzfläche ansammelt und durch Asphaltene, Harze, feine Feststoffe und oberflächenaktive Chemikalien stabilisiert wird. Es bildet sich, weil die Verweilzeit im Behälter nicht ausreicht, um die dichteste Emulsion zu brechen, so dass das ungelöste Material nirgendwo hingehen kann und sich an der Grenze ansammelt. Wenn es allein gelassen wird, wächst es, bis es einen großen Teil des Flüssigkeitsraums einnimmt, die effektive Verweilzeit für beide Phasen reduziert und schließlich mit dem Öl austritt, was zu nicht spezifikationsgerechtem Grundsediment und Wasser führt, oder mit dem Wasser, was zu hohem Öl im Wasser führt. Die Handhabung erfolgt durch Einspritzen von Demulgator stromaufwärts mit 5-50 ppm, durch Erhitzen, durch periodisches Ablassen des Bandes durch eine spezielle Düse an der Grenzfläche und durch Vermeidung der Ansammlung über Monate zwischen den Eingriffen. Ein aufsteigendes Band, gemessen mit einem nuklearen Profiler oder abgeleitet von einer driftenden Grenzflächenmessung, ist eine Frühwarnung für ein Demulgator- oder ein chemisches Kompatibilitätsproblem.

F: Welche Qualität kann ein Drei-Phasen-Abscheider erreichen?

A: Typische Werte, die stark vom Rohöl und der Verweilzeit abhängen, sind Wasser im Öl von 0,5-5% am Ölauslass und Öl im Wasser von 100-1.000 mg/L am Wasserauslass, mit Gasmitreißen unter 0,1 US-Gallone pro Million Standardkubikfuß. Das ist weder für den Verkauf noch für die Entsorgung ausreichend: Verkaufsgroßöl erfordert Grundsediment und Wasser unter 0,5% und Salz unter 10 Pfund pro tausend Barrel, was in einem Heater Treater und einem elektrostatischen Entsalzer erreicht wird, während die Grenzwerte für die Einleitung oder Wiederinjektion von Produktionswasser üblicherweise Öl im Wasser unter 20-40 mg/L erfordern, was mit einem Abscheidegefäß, Hydrozyklonen oder induzierter Gasflotation erreicht wird. Der Drei-Phasen-Abscheider ist daher der Schritt der Massenentfernung, dessen Aufgabe es ist, die nachgeschaltete Ausrüstung klein und zuverlässig zu machen, und nicht, allein verkaufsfähiges Öl und entsorgbares Wasser zu produzieren.