油田の3相分離器とは何か:設計,ワイヤー,インターフェース制御

油田三相分離器とは: 設計、堰、界面制御

核心的な質問への答え:油田用三相分離器とは何ですか?油田三相分離器は、単一のシェル内で井戸の流れをガス、原油、生成水に分離する水平圧力容器で、三相すべてと内部物質に重力を利用して油水界面を管理します。ガスは K ファクター 0.10 ～ 0.25 m/s のサウダース ブラウン速度限界によって分離されますが、油と水は沈降によって分離され、原油の API 比重とエマルジョンの緻密さに応じて 5 ～ 30 分の滞留時間を必要とします。油と水の分離では、3 つの内部配置のいずれかを使用します。油層を保持する堰板、水の量が少ない場合は水を集める容器の下側のブーツ、または両方の量が大きい場合はバケツと堰の組み合わせです。界面レベルの制御は重要な要素であり、適切に設計された容器は 150 ～ 300 mm の制御帯域を保持します。

1. 内部構造: 油と水の分離がどのように行われるか

3 つの内部構成が使用され、水と油の比率に基づいて選択されます。

• 堰プレートの設計:大幅かつ安定した水を削減するための最も一般的な構成。垂直堰板は、油側が上流、水側が下流になるように、容器の長さの途中で溶接されています。油と水の混合物が入口端から入り、水は下に沈み、上には油が蓄積します。液面が堰を超えて上昇すると、油は下流の区画にオーバーフローし、そこからレベル制御の下で抜き取られます。水は、界面レベル制御の下で入口コンパートメントの底部から引き出されます。堰の高さによって石油の在庫が決まり、したがって油の滞留時間が設定されます。これは、油から分離する水の量を決定するパラメータです。そのため、堰のサイズは恣意的に選択されるのではなく、必要な滞留時間に基づいて決定されます。欠点は、堰が容器の容積を占有し、メンテナンス中にゆっくりとしか排水できないコンパートメントを作成することです。
• ブーツのデザイン:油に比べて水の割合が少ない場合、通常約 10 ～ 20% の水カット未満、または水が断続的に到達する場合に使用されます。ブーツは、容器を縦に分割するのではなく、出口端近くのメインシェルの下側に溶接された小さな垂直または水平の容器であり、油から沈殿する水がそこに排出されます。油面はメインシェルで制御され、水と油の界面はブーツ内で制御されます。ブーツが小さいため、界面の反応が速く、全直径の容器よりも制御が容易です。ブーツは安価でコンパクトですが、水の滞留時間が限られており、大量の水道料金や変動する水道料金に対応できないため、成熟した湿潤井戸ではなく、時々水を使用する乾式石油サービスに適しています。
• バケットと堰の設計:水と油の量が両方とも多く、両方の滞留時間が重要な場合、バケットと堰の配置によってこの 2 つが組み合わされます。堰板が油を保持して油を滞留させる一方、本質的に拡張された水区画であるバケット部分は、油滴が水から上昇して失われるのではなく回収されるのに必要な水の滞留を提供します。これは、分離器から出る水には通常 100 ～ 1,000 mg/L の油が含まれており、その油は製品の損失であると同時に廃棄の問題でもあるため、重要です。水の滞留時間が長くなるとその量が減少し、多くの管轄区域では生成水の排出制限が一般に 20 ～ 40 mg/L であるため、水コンパートメントと下流のスキム容器またはハイドロサイクロンは別々に設計されるのではなく、一緒に設計されます。
• 入口装置、バッフル、ミスト抽出:分離は入口で始まり、そこでサイクロン、ベーン、または単純なバッフル装置が入ってくる流れの勢いを消散させ、最初の粗い気液分離を行います。これを正しく行うことが最も効果的な唯一の対策です。液体を再噴霧する入口ジェットは、設計上のカット サイズよりもはるかに小さい液滴を生成し、どれだけ滞留時間が経っても安定しないからです。容器に沿った穴の開いた分配バッフルがガスの速度を均一にして出口への流入を防ぎ、ミストエリミネーター、メッシュパッドまたはベーンパックがガスが出る前に微細な液滴をガスから除去します。すべての液体出口には渦ブレーカーが取り付けられています。出口での渦がガスを液体ラインに引き込み、容器が防止するために存在する問題そのものを引き起こすからです。

2. 三相分離器のサイジングと制御

2 つの独立した基準を両方とも満たす必要があり、インターフェイス制御によって設計が実際に機能するかどうかが決まります。

• ガス容量:容器は、ガス速度がサウダース ブラウンの限界 v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V) を下回るように十分な幅と長さを持たなければなりません。水平三相容器の K は、長さと直径の比とミストエリミネーターに応じて 0.10 ～ 0.25 m/s です。ガス流面積は液面上の断面であるため、液面設定値はガス容量に直接影響します。液面が高い状態で運転される容器はガス面積が小さくなり、ガス速度が高くなります。そのため、レベル設定値は動作上の優先事項ではなく設計の一部となります。通常、ガス容量は、ガスと油の比率が高いときと油田の耐用期間の初期に支配されますが、液体の滞留は、水のカットが増加するにつれて後半に支配されます。
• 油と水の滞留時間:液体側は、適切な液滴サイズのストークスの法則を使用して、沈降によってサイズが決定されます。油から沈降する水滴の場合、設計カットは通常 200 ～ 500 マイクロメートルで、必要な滞留時間は油の粘度に大きく依存します。そのため、API が約 20 未満の重質原油には 20 ～ 30 分必要ですが、API が 35 を超える軽質原油には 5 ～ 10 分しか必要ない場合があります。水から立ち上がる油滴の場合、設計上のカットは通常 150 ～ 300 マイクロメートルで、滞留時間は通常 3 ～ 10 分です。両方が独立してチェックされ、容器の長さは大きい方の要件によって設定されます。温度は両方に役立ちます。ストリームを 40 ～ 70°C に加熱すると、オイルの粘度が低下し、密度差が増加し、界面膜が不安定になるため、多くの三相分離器には加熱コイルが装備されているか、またはヒーターが先行しています。
• インターフェースレベル制御:ここで、三相分離器が成功するか失敗するかが決まります。油と水の境界面が鋭い線になることはほとんどありません。通常、これは固体を含む 100 ～ 500 mm のエマルジョン バンドであり、エマルジョン バンドが速度や化学物質の投与に応じて成長および縮小する間、コントローラは容器内の界面を保持する必要があります。差圧測定は、油と水の密度差が小さいため、信号が弱く、スパンが誤差に支配されるため不十分です。代わりに、静電容量またはコンダクタンスプローブ、導波レーダー、または過酷な用途では核密度プロファイラーが使用されます。制御帯域は動作するのに十分な幅 (通常は 150 ～ 300 mm) である必要があり、オイル レベルとインターフェイスの両方はアラームによる独立した測定が必要で、ガス出口の場合は高レベルから高レベルへのトリップが必要です。
• 動作上の問題: エマルジョン、砂、泡:パフォーマンスに関する不満のほとんどは 3 つの問題によって引き起こされます。界面にエマルジョンが蓄積し、容器の大部分を占めるまで成長し、最終的には油と水の両方とともに排出されます。これは、上流への解乳化剤の注入、熱、専用ノズルによる定期的なエマルションバンドの排出、そしてバンドを何か月も蓄積させないことによって管理されます。水の下に砂が沈むと、作業量が減少し、出口が侵食されます。砂は噴射によって除去され、砂の生産が継続的に行われる場合には、専用の砂処理システムによって除去されます。粘性のあるオイルまたは汚染されたオイルからガスが発生するときに形成される泡。蒸気空間を満たしてガス出口に運ばれる可能性があります。これは、消泡剤の注入、効果的な入口装置を使用し、泡がミストエリミネーターに到達する点よりも液面を低く保つことによって制御されます。

三相分離器の内部構成マトリックス

よくある質問 (FAQ)

Q: 油田の三相分離器のサイズはどのように決めますか?

A: 2 つの独立した基準があり、両方とも満たされる必要があります。まず、ガス容量: K 係数 0.10 ～ 0.25 m/s を使用して Souders-Brown 方程式を適用して最小ガス流面積を求めます。ガス面積は液面上の断面積であるため、レベル設定値は設計入力であることを思い出してください。第二に、液体の滞留: 200 ～ 500 マイクロメートルの水滴がオイルから沈降する場合は、オイルの粘度に基づいて滞留させます (API の重力に応じて、通常は 5 ～ 30 分間)。 150 ～ 300 マイクロメートルの油滴が水から浮き上がるには、3 ～ 10 分間待ちます。最大の結果を取得し、設計の 30 ～ 50% でターンダウン ケースをチェックし、インターフェイス制御バンドが少なくとも 150 ～ 300 mm であることを確認します。 API 12J は業界のフレームワークを提供しており、初期の高ガス料金のケースとは別に、高水準の水道カットを伴う後期のケースをチェックすることをお勧めします。

Q: インターフェースレベルの制御が難しいのはなぜですか?

A: 理由は 3 つあります。密度の差は小さく、850 kg/m3 の原油と 1,020 kg/m3 の生成水の差はわずか約 17% であるため、一般的な精度の差圧トランスミッターは大きな相対誤差を持つ信号を生成し、コントローラーが応答する前にインターフェイスが大幅に移動する可能性があります。界面は線ではなく帯です。100 ～ 500 mm、場合によってはそれ以上の乳剤層が相の間に発達し、速度、温度、化学薬品の投与量に応じて成長または縮小するため、コントローラーは固定された境界ではなく、移動するターゲットを追跡します。そして、2 つの出口は相互作用します。より多くの水を吸引すると界面が下に移動し、油の滞留が変化し、したがって油の品質が変化します。そのため、2 つのループは個別に調整するのではなく、一緒に調整する必要があります。これが、差圧よりも静電容量、コンダクタンス、または核界面検出器が優先して使用される理由です。

Q: エマルジョンバンドとは何ですか?また、どのように管理されますか?

A: エマルジョン バンドは、界面に蓄積する未解決の油中水型または水中油型エマルジョンの層で、アスファルテン、樹脂、微細固体、および界面活性化学物質によって安定化されています。これは、容器内の滞留時間が最も緊密なエマルションを破壊するのに十分ではないために形成され、そのため、未解決の物質は行き場を失い、境界に集まります。放っておくと、液体空間の大部分を占めるまで成長し、両相の有効滞留時間が減少し、最終的には油と一緒に排出され、規格外の塩基性沈殿物と水が生じるか、水と一緒に排出されて高水中油量が発生します。管理は、解乳化剤を上流に 5 ～ 50 ppm で注入すること、加熱すること、界面にある専用ノズルから定期的にバンドを排出すること、そして介入の間に数か月間バンドを蓄積させないことによって行われます。核プロファイラーで測定されるか、またはドリフト界面の読み取り値から推測されるバンドの上昇は、解乳化剤または化学的適合性の問題の早期警告です。

Q: 三相分離器はどのような品質を達成できますか?

A: 一般的な数値は、原油と滞留時間に大きく依存しますが、石油出口では油中水が 0.5 ～ 5%、水出口では水中油が 100 ～ 1,000 mg/L で、​​ガスキャリーオーバーは 100 万標準立方フィートあたり 0.1 US ガロン未満です。これでは、販売にも処分にも十分ではありません。販売原油には塩基性の沈殿物と水が 0.5% 以下、塩分が 1,000 バレルあたり 10 ポンド以下である必要があり、加熱処理装置と静電脱塩装置でこの値に達しますが、生成水の放出または再注入の制限には、通常、水中油が 20 ～ 40 mg/L 以下であり、スキム容器、ハイドロサイクロン、または誘導ガス浮遊選鉱で達成する必要があります。したがって、三相分離器はバルク除去ステップであり、その仕事は下流の装置を小型で信頼性の高いものにすることであり、それ自体で販売可能な石油や使い捨ての水を生産することではありません。