Cos'è un separatore trifase per giacimenti petroliferi: progettazione, controllo del diaframma e dell'interfaccia

Cos'è un separatore trifase per un giacimento petrolifero: progettazione, sbarramento e controllo dell'interfaccia

Rispondere alla domanda principale:Cos'è un separatore trifase per giacimenti petroliferi?Un separatore trifase per giacimenti petroliferi è un recipiente a pressione orizzontale che separa un flusso di pozzo in gas, petrolio greggio e acqua prodotta in un unico guscio, utilizzando la gravità per tutte e tre le fasi e gli interni per gestire l'interfaccia olio-acqua. Il gas viene separato dal limite di velocità di Souders-Brown con un fattore K di 0,10-0,25 m/s, mentre l'olio e l'acqua vengono separati mediante sedimentazione, richiedendo un tempo di permanenza di 5-30 minuti a seconda della gravità API del greggio e della tenuta dell'emulsione. La divisione olio-acqua utilizza una delle tre disposizioni interne: una piastra di sbarramento che trattiene lo strato di olio, uno stivale sul lato inferiore della nave che raccoglie l'acqua dove il volume dell'acqua è piccolo, o una combinazione secchio e sbarramento dove entrambi i volumi sono significativi. Il controllo del livello di interfaccia è l'elemento critico e una nave ben progettata mantiene una banda di controllo di 150-300 mm.

1. Componenti interni: come viene effettuata la divisione olio-acqua

Vengono utilizzate tre configurazioni interne e la scelta deriva dal rapporto acqua/olio:

• Design della piastra dello sbarramento:La soluzione più comune per un taglio idrico significativo e costante. Una piastra di sbarramento verticale è saldata attraverso la nave parzialmente lungo la sua lunghezza, con il lato dell'olio a monte e il lato dell'acqua a valle. La miscela olio-acqua entra dall'estremità di ingresso, l'acqua si deposita sotto e l'olio si accumula sopra, e quando il livello del liquido sale sopra lo stramazzo l'olio trabocca nel compartimento a valle, dal quale viene prelevato sotto controllo di livello. L'acqua viene prelevata dal fondo del vano di ingresso sotto il controllo del livello di interfaccia. L'altezza dello sbarramento determina l'inventario del petrolio e quindi il tempo di permanenza dell'olio, che è il parametro che regola la quantità di acqua che si separa dal petrolio, quindi lo sbarramento viene dimensionato in base alla residenza richiesta anziché scelto arbitrariamente. Lo svantaggio è che lo stramazzo occupa il volume del serbatoio e crea un compartimento che può essere drenato solo lentamente durante la manutenzione.
• Design dello stivale:Utilizzato dove la portata dell'acqua è ridotta rispetto all'olio, in genere inferiore a circa il 10-20% del taglio dell'acqua, o dove l'acqua arriva in modo intermittente. Invece di dividere il recipiente longitudinalmente, uno stivale è un piccolo recipiente verticale o orizzontale saldato alla parte inferiore del guscio principale vicino all'estremità di uscita, nel quale viene scaricata l'acqua che si deposita dall'olio. Il livello dell'olio è controllato nel guscio principale e l'interfaccia acqua-olio è controllata all'interno del bagagliaio e, poiché il bagagliaio è piccolo, l'interfaccia risponde rapidamente ed è più facile da controllare rispetto a un recipiente a diametro intero. Gli stivali sono economici e compatti, ma forniscono un tempo di permanenza in acqua limitato e non sono in grado di gestire portate d'acqua elevate o fluttuanti, quindi sono adatti per il servizio di petrolio secco con acqua occasionale piuttosto che per un pozzo maturo e umido.
• Progettazione di benne e stramazzi:Laddove sia i volumi di acqua che quelli di petrolio sono sostanziali ed entrambi i tempi di permanenza contano, una disposizione con secchio e sbarramento combina i due: una piastra di sbarramento trattiene l'olio e fornisce la residenza dell'olio, mentre una sezione del secchio, essenzialmente un compartimento idrico esteso, fornisce la residenza dell'acqua necessaria affinché le goccioline di petrolio salgano fuori dall'acqua e vengano recuperate anziché perse. Ciò è importante perché l'acqua che esce da un separatore trasporta con sé olio, in genere 100-1.000 mg/l, e quell'olio rappresenta sia una perdita di prodotto che un problema di smaltimento. Una permanenza nell'acqua più lunga lo riduce e poiché i limiti di scarico dell'acqua prodotta sono comunemente 20-40 mg/L in molte giurisdizioni, il compartimento idrico e qualsiasi recipiente di scrematura o idrociclone a valle sono progettati insieme anziché separatamente.
• Dispositivi di ingresso, deflettori ed estrazione della nebbia:La separazione inizia all'ingresso, dove un dispositivo ciclonico, a palette o un semplice deflettore dissipa la quantità di moto del flusso in entrata e realizza la prima scissione grossolana gas-liquido. Ottenere questo risultato è la misura più efficace, perché un getto di ingresso che riatomizza il liquido crea goccioline molto al di sotto della dimensione di taglio progettata che nessun tempo di permanenza può depositare. I deflettori di distribuzione perforati lungo il serbatoio equalizzano la velocità del gas e impediscono l'incanalamento verso l'uscita, mentre un eliminatore di nebbia, un tampone a rete o un pacco di alette, rimuove le goccioline fini dal gas prima che lasci. Ogni uscita del liquido è dotata di un interruttore a vortice, perché un vortice all'uscita attira il gas nella linea del liquido e causa proprio il problema che il recipiente deve prevenire.

2. Dimensionamento e controllo di un separatore trifase

Devono essere soddisfatti due criteri indipendenti e il controllo dell'interfaccia è ciò che determina se il progetto funziona nella pratica:

• Capacità del gas:Il recipiente deve essere largo e sufficientemente lungo affinché la velocità del gas rimanga al di sotto del limite di Souders-Brown, v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V), con K di 0,10-0,25 m/s per un recipiente trifase orizzontale a seconda del rapporto lunghezza/diametro e del separatore di nebbia. L'area del flusso di gas è la sezione trasversale sopra il livello del liquido, quindi il setpoint del livello del liquido influisce direttamente sulla capacità del gas: un recipiente gestito con un livello del liquido elevato ha un'area del gas inferiore e una velocità del gas più elevata, motivo per cui il setpoint del livello fa parte della progettazione piuttosto che una preferenza operativa. La capacità di gas di solito è determinante in presenza di rapporti gasolio elevati e nelle prime fasi di vita di un giacimento, mentre la residenza liquida è determinante in seguito, quando il livello dell'acqua aumenta.
• Tempo di permanenza in olio e acqua:Il lato liquido viene dimensionato per sedimentazione, utilizzando la legge di Stokes con le dimensioni appropriate delle gocce. Per le goccioline d'acqua che si depositano fuori dal petrolio, il taglio di progetto è tipicamente di 200-500 micrometri e la residenza richiesta dipende fortemente dalla viscosità del petrolio, motivo per cui i greggi pesanti al di sotto di circa 20 API necessitano di 20-30 minuti mentre i greggi leggeri al di sopra di 35 API possono richiederne solo 5-10. Per le goccioline d'olio che salgono dall'acqua, il taglio di progetto è tipicamente di 150-300 micrometri e la permanenza è solitamente di 3-10 minuti. Entrambi vengono controllati in modo indipendente e la lunghezza della nave viene quindi impostata in base al requisito più grande. La temperatura aiuta entrambi: riscaldare il flusso a 40-70°C abbassa la viscosità dell'olio, aumenta la differenza di densità e destabilizza il film interfacciale, per questo molti separatori trifase sono dotati di una serpentina di riscaldamento o sono preceduti da un riscaldatore.
• Controllo del livello di interfaccia:È qui che i separatori trifase riescono o falliscono. L’interfaccia tra petrolio e acqua è raramente una linea netta; solitamente si tratta di una banda di emulsione di 100-500 mm contenente solidi e il controller deve mantenere l'interfaccia all'interno del recipiente mentre la banda di emulsione cresce e si restringe con la velocità e con il dosaggio della sostanza chimica. La misurazione della pressione differenziale è inadeguata perché la differenza di densità tra olio e acqua è piccola, quindi il segnale è debole e l'intervallo è dominato da errori; vengono invece utilizzate sonde di capacità o conduttanza, radar a onde guidate o un profilatore di densità nucleonica in servizio gravoso. La banda di controllo deve essere sufficientemente ampia per funzionare, tipicamente 150-300 mm, e sia il livello dell'olio che l'interfaccia necessitano di misurazioni indipendenti con allarmi e, per l'uscita del gas, uno scatto di livello alto-alto.
• Problemi di funzionamento: Emulsione, Sabbia e Schiuma:Tre problemi rappresentano la maggior parte dei reclami sulle prestazioni. Accumulo di emulsione all'interfaccia, che cresce fino a occupare una grande frazione del recipiente e alla fine esce sia con l'olio che con l'acqua; è gestita tramite l'iniezione del demulsionatore a monte, tramite il calore, mediante lo scarico periodico della fascia di emulsione attraverso un ugello dedicato, e non consentendo l'accumulo della fascia per mesi. La sabbia, che si deposita sotto l'acqua, riduce il volume di lavoro ed erode gli scarichi; viene rimosso mediante getto e, dove la produzione della sabbia è continua, da un sistema di movimentazione della sabbia dedicato. Schiuma, che si forma quando il gas fuoriesce dall'olio viscoso o contaminato e può riempire lo spazio del vapore ed essere trasportato nell'uscita del gas; viene controllato con iniezione antischiuma, con un efficace dispositivo di ingresso e mantenendo il livello del liquido al di sotto del punto in cui la schiuma raggiunge il separatore di nebbie.

Matrice delle configurazioni interne dei separatori trifase

Domande frequenti (FAQ)

D: Come si dimensiona un separatore trifase per un giacimento petrolifero?

R: Due criteri indipendenti, entrambi i quali devono essere soddisfatti. Innanzitutto, la capacità del gas: applicare l'equazione di Souders-Brown con un fattore K di 0,10-0,25 m/s per trovare l'area minima del flusso di gas, ricordando che l'area del gas è la sezione trasversale sopra il livello del liquido, quindi il setpoint del livello è un input di progettazione. In secondo luogo, residenza liquida: affinché goccioline d'acqua di 200-500 micrometri si depositino fuori dall'olio, consentire la residenza in base alla viscosità dell'olio, in genere 5-30 minuti a seconda della gravità API; e affinché goccioline d'olio di 150-300 micrometri salgano fuori dall'acqua, attendere 3-10 minuti. Prendi il risultato più grande, controlla il caso di turndown al 30-50% del progetto e conferma che la banda di controllo dell'interfaccia è almeno 150-300 mm. L'API 12J fornisce il quadro di riferimento del settore ed è buona pratica verificare il caso di fine vita con un taglio dell'acqua elevato separatamente dal caso di tasso di gas elevato nei primi tempi di vita.

D: Perché il controllo del livello di interfaccia è così difficile?

R: Tre ragioni. La differenza di densità è piccola: il petrolio greggio a 850 kg/m3 rispetto all'acqua prodotta a 1.020 kg/m3 è una differenza solo del 17% circa, quindi un trasmettitore di pressione differenziale con una precisione tipica fornisce un segnale con un ampio errore relativo e l'interfaccia può muoversi sostanzialmente prima che il controller risponda. L'interfaccia non è una linea ma una banda: uno strato di emulsione di 100-500 mm, a volte di più, si sviluppa tra le fasi, e cresce e si restringe con la velocità, con la temperatura e con il dosaggio chimico, quindi il controller segue un bersaglio in movimento piuttosto che un confine fisso. E i due sbocchi interagiscono: aspirare più acqua sposta l’interfaccia verso il basso, il che cambia la residenza dell’olio e quindi la qualità dell’olio, quindi i due circuiti devono essere sintonizzati insieme anziché indipendentemente. Questo è il motivo per cui vengono preferiti rilevatori di capacità, conduttanza o interfaccia nucleonica rispetto alla pressione differenziale.

D: Cos'è una fascia di emulsione e come viene gestita?

R: La banda di emulsione è lo strato di emulsione acqua in olio o olio in acqua non risolta che si accumula sull'interfaccia, stabilizzato da asfalteni, resine, solidi fini e sostanze chimiche tensioattive. Si forma perché il tempo di permanenza nel recipiente non è sufficiente a rompere l'emulsione più densa, quindi il materiale non risolto non ha nessun posto dove andare e si raccoglie al confine. Lasciato da solo cresce fino a occupare gran parte dello spazio liquido, riducendo la residenza effettiva per entrambe le fasi, e alla fine esce con l'olio, causando sedimenti basici e acqua fuori specifica, o con l'acqua, causando un alto livello di olio nell'acqua. La gestione avviene iniettando a monte il demulsionante a 5-50 ppm, riscaldando, drenando periodicamente la fascia attraverso un apposito ugello posto all'interfaccia, e non lasciandolo accumulare per mesi tra un intervento e l'altro. Una banda ascendente, misurata con un profilatore nucleonico o dedotta da una lettura dell'interfaccia alla deriva, è un avvertimento precoce di un demulsificatore o di un problema di compatibilità chimica.

D: Che qualità può raggiungere un separatore trifase?

R: I valori tipici, che dipendono fortemente dal greggio e dal tempo di permanenza, sono 0,5-5% di acqua nel petrolio all'uscita del petrolio e 100-1.000 mg/L di olio in acqua all'uscita dell'acqua, con un trascinamento di gas inferiore a 0,1 galloni USA per milione di piedi cubi standard. Ciò non è sufficiente né per la vendita né per lo smaltimento: il greggio venduto richiede sedimenti basici e acqua inferiore allo 0,5% e sale inferiore a 10 libbre per mille barili, che si ottiene in un impianto di trattamento termico e un dissalatore elettrostatico, mentre i limiti di scarico dell’acqua prodotta o di reiniezione richiedono comunemente olio nell’acqua inferiore a 20-40 mg/L, raggiunto con un recipiente di scrematura, idrocicloni o flottazione del gas indotta. Il separatore trifase è quindi la fase di rimozione dei materiali sfusi il cui compito è quello di rendere le apparecchiature a valle piccole e affidabili, non di produrre da sole olio vendibile e acqua usa e getta.