جداکننده سه فاز میدان نفت چیست: طراحی، سد و کنترل رابط

جداساز سه فازی میدان نفتی چیست: طراحی، کنترل سرریز و سطح مشترک

پاسخ به سوال اصلی:جداساز سه فازی میدان نفتی چیست؟جداساز سه فازی میدان نفتی یک مخزن فشار افقی است که جریان چاه را در یک پوسته واحد به گاز، نفت خام و آب تولیدی تفکیک می کند، با استفاده از گرانش برای هر سه فاز و اجزای داخلی برای مدیریت سطح مشترک نفت و آب. گاز با حد سرعت سودرز-براون با ضریب K برابر 0.10-0.25 متر بر ثانیه تفکیک می شود، در حالی که نفت و آب با ته نشینی تفکیک می شوند که نیازمند زمان ماند 5 تا 30 دقیقه بسته به گرانش API نفت خام و سفتی امولسیون است. تفکیک نفت و آب از یکی از سه پیکربندی داخلی استفاده می کند: یک صفحه سرریز که لایه نفت را نگه می دارد، یک بوت در قسمت زیرین مخزن که آب را در جایی که حجم آب کم است جمع آوری می کند، یا ترکیبی از سطل و سرریز که در آن هر دو حجم قابل توجه هستند. کنترل سطح مشترک عنصر حیاتی است و یک مخزن با طراحی خوب، یک باند کنترلی 150-300 میلی متری را حفظ می کند.

1. اجزای داخلی: چگونه تفکیک نفت و آب انجام می شود

سه پیکربندی داخلی استفاده می شود و انتخاب بر اساس نسبت آب به نفت است:

• طراحی صفحه سرریز: رایج ترین پیکربندی برای برش آب قابل توجه و پایدار. یک صفحه سرریز عمودی در طول مخزن جوش داده می شود، با سمت نفت در بالادست و سمت آب در پایین دست. مخلوط نفت و آب در انتهای ورودی وارد می شود، آب در پایین ته نشین می شود و نفت در بالا جمع می شود، و با بالا آمدن سطح مایع از سرریز، نفت به محفظه پایین دست سرریز می شود، که از آنجا تحت کنترل سطح تخلیه می شود. آب از پایین محفظه ورودی تحت کنترل سطح مشترک تخلیه می شود. ارتفاع سرریز، موجودی نفت و در نتیجه زمان ماند نفت را تعیین می کند، که پارامتری است که میزان آب جدا شده از نفت را تعیین می کند، بنابراین سرریز بر اساس زمان ماند مورد نیاز اندازه گیری می شود و نه به صورت دلخواه انتخاب می شود. عیب آن این است که سرریز حجم مخزن را اشغال می کند و محفظه ای ایجاد می کند که در طول نگهداری به آرامی تخلیه می شود.
• طراحی بوت: زمانی استفاده می شود که نرخ آب نسبت به نفت کم باشد، معمولاً کمتر از حدود 10-20 درصد برش آب، یا زمانی که آب به صورت متناوب وارد می شود. به جای تقسیم مخزن در طول، بوت یک مخزن عمودی یا افقی کوچک است که به قسمت زیرین پوسته اصلی نزدیک انتهای خروجی جوش داده می شود، که آب ته نشین شده از نفت به آن تخلیه می شود. سطح نفت در پوسته اصلی کنترل می شود و سطح مشترک آب و نفت در داخل بوت کنترل می شود، و از آنجایی که بوت کوچک است، سطح مشترک به سرعت پاسخ می دهد و کنترل آن آسان تر از مخزن با قطر کامل است. بوت ها ارزان و فشرده هستند، اما زمان ماند محدود آب را فراهم می کنند و نمی توانند نرخ های آب بالا یا متغیر را مدیریت کنند، بنابراین برای سرویس نفت خشک با آب گاه به گاه مناسب هستند نه برای یک چاه بالغ و مرطوب.
• طراحی سطل و سرریز: در جایی که حجم آب و نفت قابل توجه است و هر دو زمان ماند مهم هستند، پیکربندی سطل و سرریز این دو را ترکیب می کند: یک صفحه سرریز نفت را نگه می دارد و زمان ماند نفت را فراهم می کند، در حالی که یک بخش سطل، اساساً یک محفظه آب گسترده، زمان ماند آب مورد نیاز برای بالا آمدن قطرات نفت از آب و بازیابی آنها به جای از دست دادن را فراهم می کند. این مهم است زیرا آب خروجی از جداکننده، نفت را با خود حمل می کند، معمولاً 100-1000 میلی گرم در لیتر، و آن نفت هم اتلاف محصول است و هم مشکل دفع. زمان ماند طولانی تر آب آن را کاهش می دهد، و از آنجایی که محدودیت های تخلیه آب تولیدی در بسیاری از حوزه های قضایی معمولاً 20-40 میلی گرم در لیتر است، محفظه آب و هرگونه مخزن اسکیم یا هیدروسیکلون پایین دست به جای جداگانه، با هم طراحی می شوند.
• دستگاه های ورودی، بافل ها و استخراج میست: تفکیک از ورودی شروع می شود، جایی که یک دستگاه سیکلونی، پره ای یا بافل ساده، تکانه جریان ورودی را پراکنده می کند و اولین تفکیک درشت گاز-مایع را انجام می دهد. درست انجام دادن این مرحله موثرترین اقدام است، زیرا جت ورودی که مایع را دوباره اتمیزه می کند، قطراتی را بسیار کوچکتر از اندازه برش طراحی شده ایجاد می کند که هیچ مقدار زمان ماندی نمی تواند آنها را ته نشین کند. بافل های توزیع سوراخ دار در طول مخزن، سرعت گاز را یکنواخت می کنند و از کانالیزه شدن به سمت خروجی جلوگیری می کنند، و یک جداکننده میست، یک پد مش یا بسته پره ای، قطرات ریز را از گاز قبل از خروج حذف می کند. هر خروجی مایع مجهز به یک شکننده گرداب است، زیرا گرداب در خروجی گاز را به داخل خط مایع می کشد و همان مشکلی را که مخزن برای جلوگیری از آن وجود دارد، ایجاد می کند.

2. اندازه گیری و کنترل یک جداکننده سه فازی

دو معیار مستقل باید هر دو برآورده شوند و کنترل سطح مشترک تعیین کننده عملکرد طراحی در عمل است:

• ظرفیت گاز: مخزن باید به اندازه کافی عریض و بلند باشد تا سرعت گاز زیر حد سودرز-براون باقی بماند، v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V)، با K برابر 0.10-0.25 متر بر ثانیه برای یک مخزن سه فازی افقی بسته به نسبت طول به قطر و جداکننده میست. مساحت جریان گاز، مقطع بالای سطح مایع است، بنابراین نقطه تنظیم سطح مستقیماً بر ظرفیت گاز تأثیر می گذارد: مخزنی که با سطح مایع بالا کار می کند، مساحت گاز کمتری و سرعت گاز بالاتری دارد، به همین دلیل نقطه تنظیم سطح بخشی از طراحی است نه ترجیح عملیاتی. ظرفیت گاز معمولاً در نسبت های گاز به نفت بالا و در اوایل عمر یک میدان تعیین کننده است، در حالی که زمان ماند مایع در اواخر عمر با افزایش برش آب تعیین کننده است.
• زمان ماند نفت و آب: سمت مایع با ته نشینی، با استفاده از قانون استوکس با اندازه قطرات مناسب، اندازه گیری می شود. برای قطرات آب که از نفت ته نشین می شوند، برش طراحی معمولاً 200-500 میکرومتر است و زمان ماند مورد نیاز به شدت به ویسکوزیته نفت بستگی دارد، به همین دلیل نفت سنگین زیر حدود 20 API به 20-30 دقیقه نیاز دارد در حالی که نفت سبک بالای 35 API ممکن است فقط به 5-10 دقیقه نیاز داشته باشد. برای قطرات نفت که از آب بالا می آیند، برش طراحی معمولاً 150-300 میکرومتر است و زمان ماند معمولاً 3-10 دقیقه است. هر دو به طور مستقل بررسی می شوند و سپس طول مخزن با بزرگترین نیاز تعیین می شود. دما به هر دو کمک می کند: گرم کردن جریان به 40-70 درجه سانتیگراد ویسکوزیته نفت را کاهش می دهد، اختلاف چگالی را افزایش می دهد و فیلم بین سطحی را ناپایدار می کند، بنابراین بسیاری از جداکننده های سه فازی با کویل گرمایش ارائه می شوند یا قبل از آنها یک هیتر قرار دارد.
• کنترل سطح مشترک: اینجاست که جداکننده های سه فازی موفق یا ناموفق می شوند. سطح مشترک بین نفت و آب به ندرت یک خط تیز است؛ معمولاً یک باند امولسیون 100-500 میلی متری حاوی جامدات است و کنترل کننده باید سطح مشترک را در داخل مخزن نگه دارد در حالی که باند امولسیون با نرخ و دوز شیمیایی رشد و کوچک می شود. اندازه گیری اختلاف فشار ناکافی است زیرا اختلاف چگالی بین نفت و آب کم است، بنابراین سیگنال ضعیف است و دامنه تحت سلطه خطاها است؛ در عوض، از پروب های خازنی یا رسانایی، رادار موج هدایت شده، یا پروفیل سنج چگالی هسته ای در سرویس شدید استفاده می شود. باند کنترلی باید به اندازه کافی عریض باشد تا کار کند، معمولاً 150-300 میلی متر، و هم سطح نفت و هم سطح مشترک نیاز به اندازه گیری مستقل با آلارم و برای خروجی گاز، یک تریپ سطح بالا-بالا دارند.
• مشکلات عملیاتی: امولسیون، ماسه و کف: سه مشکل بیشترین شکایات عملکرد را تشکیل می دهند. تجمع امولسیون در سطح مشترک، که تا زمانی که بخش بزرگی از مخزن را اشغال کند رشد می کند و در نهایت با هر دو نفت و آب خارج می شود؛ این با تزریق دمولسیفایر در بالادست، با حرارت، با تخلیه دوره ای باند امولسیون از طریق یک نازل اختصاصی، و با عدم اجازه تجمع باند برای ماه ها مدیریت می شود. ماسه، که در زیر آب ته نشین می شود، حجم کاری را کاهش می دهد و خروجی ها را فرسایش می دهد؛ این با جتینگ حذف می شود، و در جایی که تولید ماسه مداوم است، با یک سیستم مدیریت ماسه اختصاصی. کف، که زمانی تشکیل می شود که گاز از نفت ویسکوز یا آلوده خارج می شود و می تواند فضای بخار را پر کند و به خروجی گاز منتقل شود؛ این با تزریق ضد کف، با یک دستگاه ورودی موثر و با نگه داشتن سطح مایع زیر نقطه ای که کف به جداکننده میست می رسد، کنترل می شود.

ماتریس پیکربندی داخلی جداکننده سه فازی

سوالات متداول (FAQ)

س: چگونه یک جداکننده سه فازی میدان نفتی را اندازه گیری می کنید؟

پاسخ: دو معیار مستقل که هر دو باید برآورده شوند. اول، ظرفیت گاز: معادله سودرز-براون را با ضریب K برابر 0.10-0.25 متر بر ثانیه اعمال کنید تا حداقل مساحت جریان گاز را پیدا کنید، به یاد داشته باشید که مساحت گاز مقطع بالای سطح مایع است، بنابراین نقطه تنظیم سطح یک ورودی طراحی است. دوم، زمان ماند مایع: برای ته نشین شدن قطرات آب 200-500 میکرومتری از نفت، زمان ماند را بر اساس ویسکوزیته نفت، معمولاً 5-30 دقیقه بسته به گرانش API، در نظر بگیرید؛ و برای بالا آمدن قطرات نفت 150-300 میکرومتری از آب، 3-10 دقیقه در نظر بگیرید. بزرگترین نتیجه را بگیرید، مورد تورن داون را در 30-50 درصد طراحی بررسی کنید و تأیید کنید که باند کنترل سطح مشترک حداقل 150-300 میلی متر است. API 12J چارچوب صنعت را فراهم می کند و خوب است که مورد اواخر عمر با برش آب بالا را جدا از مورد نرخ گاز بالا در اوایل عمر به طور جداگانه بررسی کنید.

س: چرا کنترل سطح مشترک بسیار دشوار است؟

پاسخ: سه دلیل. اختلاف چگالی کم است: نفت خام با چگالی 850 کیلوگرم بر متر مکعب در مقابل آب تولیدی با چگالی 1020 کیلوگرم بر متر مکعب فقط حدود 17 درصد اختلاف دارد، بنابراین یک فرستنده اختلاف فشار با دقت معمول، سیگنالی با خطای نسبی بزرگ می دهد و سطح مشترک می تواند به طور قابل توجهی حرکت کند قبل از اینکه کنترل کننده پاسخ دهد. سطح مشترک یک خط نیست بلکه یک باند است: یک لایه امولسیون 100-500 میلی متری، گاهی بیشتر، بین فازها تشکیل می شود و با نرخ، دما و دوز شیمیایی رشد و کوچک می شود، بنابراین کنترل کننده یک هدف متحرک را به جای یک مرز ثابت ردیابی می کند. و دو خروجی با هم تعامل دارند: کشیدن آب بیشتر سطح مشترک را به سمت پایین می برد، که زمان ماند نفت و در نتیجه کیفیت نفت را تغییر می دهد، بنابراین دو حلقه باید با هم تنظیم شوند نه به طور مستقل. به همین دلیل است که آشکارسازهای سطح مشترک خازنی، رسانایی یا هسته ای به فرستنده های اختلاف فشار ترجیح داده می شوند.

س: باند امولسیون چیست و چگونه مدیریت می شود؟

پاسخ: باند امولسیون لایه ای از امولسیون حل نشده آب در نفت یا نفت در آب است که در سطح مشترک تجمع می یابد و توسط آسفالتن ها، رزین ها، جامدات ریز و مواد شیمیایی فعال سطحی پایدار می شود. این به این دلیل تشکیل می شود که زمان ماند در مخزن برای شکستن سفت ترین امولسیون کافی نیست، بنابراین مواد حل نشده جایی برای رفتن ندارند و در مرز جمع می شوند. اگر رها شود، تا زمانی که بخش بزرگی از فضای مایع را اشغال کند، رشد می کند و زمان ماند موثر هر دو فاز را کاهش می دهد و در نهایت با نفت خارج می شود و باعث رسوب پایه و آب خارج از مشخصات می شود، یا با آب خارج می شود و باعث بالا رفتن نفت در آب می شود. مدیریت آن با تزریق دمولسیفایر در بالادست با دوز 5-50 ppm، با حرارت، با تخلیه دوره ای باند از طریق یک نازل اختصاصی واقع در سطح مشترک، و با عدم اجازه تجمع آن برای ماه ها بین مداخلات انجام می شود. یک باند در حال افزایش، که با پروفیل سنج هسته ای اندازه گیری می شود یا از خواندن سطح مشترک در حال انحراف استنباط می شود، یک هشدار اولیه از مشکل دمولسیفایر یا ناسازگاری شیمیایی است.

س: چه کیفیتی را می توان با یک جداکننده سه فازی به دست آورد؟

پاسخ: ارقام معمول، که به شدت به نفت خام و زمان ماند بستگی دارند، عبارتند از: آب در نفت 0.5-5 درصد در خروجی نفت و نفت در آب 100-1000 میلی گرم در لیتر در خروجی آب، با حمل گاز کمتر از 0.1 گالن آمریکایی در میلیون فوت مکعب استاندارد. این برای فروش یا دفع کافی نیست: نفت خام فروشی نیاز به رسوب پایه و آب کمتر از 0.5 درصد و نمک کمتر از 10 پوند در هزار بشکه دارد که در یک هیتر تریتر و یک نمک زدا الکترواستاتیکی به دست می آید، در حالی که محدودیت های تخلیه یا تزریق مجدد آب تولیدی معمولاً نیاز به نفت در آب کمتر از 20-40 میلی گرم در لیتر دارند که با یک مخزن اسکیم، هیدروسیکلون ها یا شناورسازی گاز القایی به دست می آید. بنابراین، جداکننده سه فازی مرحله حذف حجمی است که وظیفه آن کوچک و قابل اعتماد کردن تجهیزات پایین دست است، نه تولید نفت قابل فروش و آب قابل دفع به تنهایی.