Что такое сепаратор нефтедобычи: стадии, конструкция и обработка сырой нефти

Что такое сепаратор нефтедобычи: стадии, конструкция и обработка сырой нефти

Ответ на основной вопрос: Что такое сепаратор нефтедобычи? Сепаратор нефтедобычи — это сосуд под давлением, который разделяет поток скважинной продукции, поступающий из скважины или системы сбора, на газ, сырую нефть и пластовую воду, и является первым и наиболее важным элементом наземного оборудования для добычи. Большинство установок используют ступенчатую схему давления, а не один сосуд: сепаратор высокого давления при давлении 50-150 бар, стадия среднего давления при давлении 15-50 бар и стадия низкого давления при давлении 2-15 бар, поскольку ступенчатое вскипание позволяет извлечь больше жидкости, получить более стабильную нефть с более низким давлением насыщенных паров по Рейду и позволяет каждому этапу быть рассчитанным на свои собственные расходы газа и жидкости. Только сепарация не делает нефть товарной, поэтому за сепаратором обычно следует отделитель свободной воды, нагреватель-обезвоживатель и электростатический обессоливатель для достижения обычной товарной спецификации: содержание основных отложений и воды ниже 0,5% и соли ниже 10 фунтов на тысячу баррелей.

1. Схема сепарации продукции

Сепарация происходит в три стадии давления, а затем завершается обработкой, и каждый этап имеет свою специфическую задачу:

• Первичная сепарация высокого давления: Первый сосуд принимает поток скважинной продукции при максимально возможном давлении, обычно 50-150 бар, и отделяет основную часть газа. Работа при высоком давлении преднамеренна: газ, отделенный при высоком давлении, требует гораздо меньшего сжатия для достижения экспортного давления или давления для газлифта, а нефть сохраняет больше легких фракций до более поздней стадии, что улучшает общую степень извлечения жидкости. Размер сосуда определяется газовой производительностью по Саудерсу-Брауну и временем удерживания жидкости, необходимым для выхода газа из жидкости, обычно 3-10 минут. Поскольку этот сосуд принимает полный поток скважинной продукции, включая любые пробки и песок, он является наиболее прочным и наиболее интенсивно оснащенным приборами, с блокировкой высокого уровня, предохранительным устройством, рассчитанным на случай заблокированного выхода, и системой струйной подачи песка.
• Стадии среднего и низкого давления: Нефть, выходящая из сепаратора высокого давления, все еще содержит растворенный газ, который вскипает по мере падения давления. Пропуск ее через одну или две дальнейшие стадии при давлении 15-50 бар, а затем 2-15 бар позволяет извлечь этот газ, который сжимается для экспорта или используется для газлифта или топлива, и стабилизирует нефть. Практическая выгода измеряется давлением насыщенных паров по Рейду товарной нефти, которое обычно должно быть ниже 8-12 фунтов на квадратный дюйм для безопасного хранения и транспортировки; вскипание до стадии низкого давления или до специальной колонны стабилизации — это способ достижения этого предела. Каждая стадия производит постепенно меньший объем газа и постепенно более стабильную жидкость, а газ со стадии низкого давления, богатый более тяжелыми компонентами, иногда повторно сжимается и рециркулируется, а не отправляется на экспорт.
• Отделитель свободной воды и удаление основной массы воды: Там, где доля воды высока, как в зрелом месторождении, удаление свободной воды перед оборудованием для обработки гораздо дешевле, чем обработка всего потока. Отделитель свободной воды — это большой горизонтальный сосуд, по сути трехфазный сепаратор, оптимизированный для удаления воды, с длительным временем удерживания 10-30 минут и регулятором уровня раздела фаз, который отбирает воду, отделившуюся под действием силы тяжести. Он удаляет основную массу воды, которая в противном случае потребляла бы тепло в нагревателе и разбавляла бы промывочную воду в обессоливателе. Здесь же оседает большая часть песка, поэтому он оснащен системой струйной подачи песка или, в тяжелых условиях эксплуатации, системой удаления песка с использованием циклонов или аппарата с псевдоожиженным слоем.
• Обработка: нагреватель-обезвоживатель и электростатический обессоливатель: Одна только сила тяжести не может разрушить стойкие эмульсии вода-в-нефти, образующиеся на дросселях и клапанах, поэтому для окончательного удаления воды и соли требуются тепло, химикаты и электрическое поле. Нагреватель-обезвоживатель нагревает эмульсию до 60-90°C с помощью огневой трубы или змеевика с теплоносителем, что снижает вязкость нефти, ослабляет межфазную пленку и увеличивает разницу в плотности, с добавлением деэмульгатора в количестве 5-50 ppm для полного разрушения. Затем электростатический обессоливатель смешивает 3-10% пресной промывочной воды с нефтью и подает высоковольтное поле 15-25 кВ при температуре 120-150°C, которое поляризует капли воды, растягивает и разрывает межфазную пленку, и вызывает их коалесценцию в капли, достаточно большие для оседания. Двухступенчатое обессоливание является стандартным, когда спецификация требует содержания соли ниже 10 PTB.

2. Расчет размеров, эксплуатация и распространенные проблемы

Три фактора определяют, будет ли сепаратор работать на протяжении всего срока службы месторождения:

• Расчет размеров для профиля добычи: Нефтяной сепаратор должен работать при запуске, на плато и при спаде, и ограничения полностью меняются на протяжении всего срока службы. В начале расход газа максимален, поэтому газовая производительность по Саудерсу-Брауну определяет диаметр сосуда. При спаде расход газа падает, но доля воды резко возрастает, иногда с 5% до 90%, поэтому сосуд становится ограниченным по водоотведению, а время удерживания нефти, которое определяет, сколько воды отделяется от нефти, становится ограничением. Если время удерживания воды слишком короткое, вода уносится с нефтью и перегружает оборудование для обработки. Вот почему проектировщики проверяют три случая: начальный, плато и поздний период эксплуатации, и почему поздний период эксплуатации с высокой долей воды часто определяет размер сосуда, а не ранний период с высокой долей газа.
• Контроль эмульсий, пены и химикатов: Эмульсии сырой нефти стабилизируются асфальтенами, смолами, органическими кислотами и мелкими твердыми частицами, которые скапливаются на границе раздела вода-нефть, образуя пленку, препятствующую коалесценции. Эмульсия становится более стойкой по мере падения плотности по API и старения месторождения, а тяжелые нефти с плотностью ниже примерно 20 API могут образовывать эмульсии, которые не разрушаются никаким временем удерживания. Инструменты: тепло, которое снижает вязкость и дестабилизирует пленку; время удерживания; химический деэмульгатор, выбранный путем тестирования в бутылке на фактической сырой нефти; и электрическое поле в обессоливателе. Пена — это другая проблема, обычно вызванная выходом газа из вязкой нефти; она управляется впрыском пеногасителя, входным устройством, которое оперативно отделяет газ, и избеганием уровня, который приближает слой пены к газовому выходу.
• Управление уровнем, межфазным уровнем и песком: Контроль межфазного уровня — самая сложная проблема управления в сепарации продукции. Межфазный уровень между нефтью и водой часто представляет собой толстую полосу эмульсии и твердых частиц, а не четкую линию, и контроллер должен удерживать его между нефтяным водосливом и водяным выходом, чтобы ни одна фаза не выходила через неправильный патрубок. Вместо простых датчиков перепада давления используются емкостные или кондуктометрические зонды или нуклонный детектор межфазного уровня в тяжелых условиях эксплуатации, поскольку разница в плотности между двумя жидкостями мала, а устройство перепада давления дает плохой сигнал. Песок накапливается под водой и должен удаляться струйной подачей, прежде чем он заполнит сосуд и сократит время удерживания; образование песка также является основной причиной эрозии на выпускном клапане и на дросселе ниже по потоку.
• Материалы, коды и целостность: Сепараторы продукции изготавливаются по ASME VIII Division 1 с клеймом U или по PED 2014/68/EU с маркировкой CE для европейской эксплуатации, из углеродистой стали, такой как SA-516 Grade 70, с припуском на коррозию 3-6 мм. Там, где присутствует сероводород, как в кислых месторождениях, NACE MR0175 / ISO 15156 регулирует твердость материалов и требует термообработки после сварки, а в условиях влажного кислого сервиса используется сталь, устойчивая к HIC. Там, где присутствует углекислый газ с водой, ингибиторы коррозии вводятся выше по потоку, и сосуд контролируется с помощью коррозионных образцов, датчиков электрического сопротивления и периодических ультразвуковых толщинометрических обследований. Внутренние элементы спроектированы так, чтобы их можно было снимать через люк, а программа инспекции основана на оценке рисков по API 580, с сокращением интервала, где песок, кислый сервис или высокая доля воды ускоряют деградацию.

Матрица сравнения стадий сепарации нефти

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

В: В чем разница между двухфазным и трехфазным сепаратором продукции?

О: Двухфазный сепаратор разделяет поток скважинной продукции только на газ и жидкость и используется там, где доля воды незначительна, где вода добывается в виде отдельного потока, или где жидкость поступает на последующий отделитель свободной воды, который осуществляет разделение нефти и воды. Трехфазный сепаратор разделяет газ, нефть и воду в одном сосуде, используя водослив для удержания слоя нефти и регулятор межфазного уровня для отбора воды, и является стандартным выбором, когда поток скважинной продукции содержит значительное количество свободной воды. Практическое отличие заключается в том, что трехфазный сосуд должен соответствовать двум независимым критериям расчета: газовая производительность по уравнению Саудерса-Брауна и время удерживания жидкости, необходимое для оседания капель воды из нефти, обычно от 5 до 30 минут в зависимости от плотности по API и стойкости эмульсии. Второй критерий часто делает трехфазный сосуд значительно больше.

В: Почему сепараторы продукции работают ступенчато?

О: По трем причинам. Сжатие газа: газ, отделенный при давлении 100 бар, требует гораздо меньшего сжатия для достижения экспортного давления, чем газ, отделенный при давлении 10 бар, поэтому разделение при максимально возможном давлении экономит большое количество энергии на сжатие и капитальные затраты. Извлечение жидкости: ступенчатое вскипание нефти, а не однократное, позволяет извлечь больше промежуточных углеводородов в виде жидкости, а не потерять их с газом, что напрямую увеличивает объем товарной нефти. И стабилизация: ступенчатое вскипание снижает давление насыщенных паров по Рейду товарной нефти до уровня ниже 8-12 фунтов на квадратный дюйм, необходимого для безопасного хранения и транспортировки. Один сепаратор, работающий при низком давлении, произвел бы больше газа, большая его часть при низком давлении, меньше жидкости и нефть с давлением пара, слишком высоким для безопасной транспортировки.

В: Почему сырая нефть образует эмульсию, которая не разделяется?

О: Потому что поверхностно-активные компоненты в сырой нефти скапливаются на границе раздела вода-нефть и образуют механически прочную пленку, препятствующую коалесценции капель. Асфальтены, смолы, нафтеновые кислоты, кристаллы воска и мелкие твердые частицы, такие как глина, отложения и продукты коррозии, адсорбируются на границе раздела, и образующаяся пленка может быть настолько прочной, что капли размером в несколько микрометров остаются взвешенными практически неопределенно долго. Проблема усугубляется по мере падения плотности по API, поскольку тяжелые нефти содержат больше асфальтенов и смол и имеют меньшую разницу в плотности для обеспечения оседания, и она усугубляется с возрастом, поскольку месторождение добывает больше воды и больше твердых частиц. Разрушение эмульсии требует воздействия на эту пленку: тепло для снижения вязкости и дестабилизации, деэмульгатор для вытеснения поверхностно-активного материала, время удерживания и, где силы гравитации недостаточно, высоковольтное электрическое поле для ее разрыва.

В: Как измеряется производительность сепаратора нефтедобычи?

О: Четыре измерения. Основные отложения и вода (BS&W) в нефти, выходящей из сепаратора, определяемые центрифугированием разбавленного образца, причем товарная спецификация обычно ниже 0,5%, а выход сепаратора обычно поддерживается ниже 1-2%, чтобы оборудование для обработки имело запас. Содержание соли в нефти, выраженное в фунтах на тысячу баррелей, со спецификацией ниже 10 PTB и измеряемое экстракцией и титрованием; оно регулируется обессоливателем, а не сепаратором. Качество воды на выходе воды, обычно выражаемое как содержание нефти в воде в миллиграммах на литр, что влияет на возможность сброса, закачки или необходимости дальнейшей обработки добытой воды. И унос газа, нефть в газе, выходящем из сосуда, выраженная как унос, что указывает на превышение газовой производительности или отказ туманоуловителя.