Một bộ tách ba giai đoạn dầu mỏ là gì: Thiết kế, đê và điều khiển giao diện

Máy tách ba pha mỏ dầu là gì: Thiết kế, kiểm soát đập và giao diện

Trả lời câu hỏi cốt lõi:Máy tách ba pha mỏ dầu là gì?Máy tách ba pha mỏ dầu là một bình áp lực nằm ngang giúp tách dòng giếng thành khí, dầu thô và nước sản xuất trong một vỏ duy nhất, sử dụng trọng lực cho cả ba pha và các bộ phận bên trong để quản lý bề mặt tiếp xúc dầu-nước. Khí được tách bằng giới hạn vận tốc Souders-Brown với hệ số K là 0,10-0,25 m/s, trong khi dầu và nước được tách bằng quá trình lắng, yêu cầu thời gian lưu từ 5-30 phút tùy thuộc vào trọng lượng API của dầu thô và độ kín của nhũ tương. Bộ phận phân chia dầu-nước sử dụng một trong ba cách bố trí bên trong: một tấm đập giữ lớp dầu, một bệ ở mặt dưới của bình để thu nước khi lượng nước nhỏ, hoặc một thùng và kết hợp đập khi cả hai thể tích đều đáng kể. Kiểm soát mức độ giao diện là yếu tố quan trọng và một bình được thiết kế tốt sẽ có dải kiểm soát 150-300 mm.

1. Nội bộ: Cách thực hiện việc phân chia dầu-nước

Ba cấu hình bên trong được sử dụng và sự lựa chọn tuân theo tỷ lệ nước và dầu:

• Thiết kế tấm đập:Sự sắp xếp phổ biến nhất để cắt nước đáng kể và ổn định. Một tấm đập thẳng đứng được hàn dọc theo chiều dài của bình, với phía dầu ở thượng lưu và phía nước ở hạ lưu. Hỗn hợp dầu-nước đi vào đầu vào, nước lắng xuống bên dưới và dầu tích tụ bên trên, và khi mức chất lỏng dâng lên trên đập, dầu tràn xuống ngăn hạ lưu, từ đó nó được rút ra dưới sự kiểm soát mức độ. Nước được rút ra từ đáy ngăn đầu vào dưới sự kiểm soát mức giao diện. Chiều cao đập đặt ra lượng dầu tồn kho và do đó thời gian lưu trú của dầu, là thông số chi phối lượng nước tách ra khỏi dầu, do đó đập có kích thước phù hợp với nơi cư trú được yêu cầu thay vì được chọn tùy ý. Hạn chế là đập chiếm thể tích tàu và tạo ra một khoang chỉ có thể thoát nước chậm trong quá trình bảo trì.
• Thiết kế khởi động:Được sử dụng khi tỷ lệ nước nhỏ so với dầu, thường dưới mức cắt nước khoảng 10-20% hoặc khi nước đến không liên tục. Thay vì chia thùng theo chiều dọc, ủng là một thùng nhỏ thẳng đứng hoặc nằm ngang được hàn vào mặt dưới của vỏ chính gần đầu ra, nơi nước lắng ra từ dầu chảy ra. Mức dầu được kiểm soát ở vỏ chính và giao diện nước-dầu được điều khiển bên trong bốt, đồng thời do bốt nhỏ nên giao diện phản hồi nhanh và dễ điều khiển hơn so với bình có đường kính đầy đủ. Ủng rẻ và nhỏ gọn, nhưng chúng có thời gian lưu nước hạn chế và không thể xử lý tốc độ nước lớn hoặc dao động, vì vậy chúng phù hợp cho dịch vụ dầu khô thỉnh thoảng có nước thay vì sử dụng giếng ướt, đã trưởng thành.
• Thiết kế xô và đập:Trong trường hợp cả lượng nước và lượng dầu đều đáng kể và cả thời gian lưu trú đều quan trọng, thì việc bố trí xô và đập kết hợp cả hai: một tấm đập giữ dầu và cung cấp nơi cư trú cho dầu, trong khi phần xô, về cơ bản là một ngăn chứa nước mở rộng, cung cấp nơi cư trú nước cần thiết để các giọt dầu nổi lên khỏi mặt nước và được thu hồi thay vì bị mất đi. Điều này quan trọng vì nước rời khỏi thiết bị phân tách mang theo dầu, thường là 100-1.000 mg/L, và dầu đó vừa là vấn đề thất thoát sản phẩm vừa là vấn đề xử lý. Nơi chứa nước lâu hơn sẽ làm giảm lượng nước này và do giới hạn xả nước được tạo ra thường là 20-40 mg/L ở nhiều khu vực pháp lý, ngăn chứa nước và bất kỳ tàu chạy xuôi dòng hoặc lốc xoáy hydro nào đều được thiết kế cùng nhau thay vì riêng biệt.
• Thiết bị đầu vào, vách ngăn và chiết xuất sương mù:Sự phân tách bắt đầu ở cửa vào, nơi một thiết bị xoáy, cánh gạt hoặc một vách ngăn đơn giản làm tiêu tán động lượng của dòng chảy vào và tạo ra sự phân chia khí-lỏng thô đầu tiên. Thực hiện đúng điều này là biện pháp hiệu quả nhất, bởi vì một tia đầu vào tái nguyên tử hóa chất lỏng sẽ tạo ra các giọt nhỏ hơn nhiều so với kích thước cắt theo thiết kế mà không có khoảng thời gian lưu trú nào có thể lắng xuống. Các vách ngăn phân phối được đục lỗ dọc theo bình giúp cân bằng vận tốc khí và ngăn không cho khí đi về phía cửa ra, đồng thời bộ khử sương mù, tấm lưới hoặc gói cánh gạt sẽ loại bỏ các giọt nhỏ khỏi khí trước khi nó rời đi. Mỗi đầu ra chất lỏng đều được trang bị một thiết bị ngắt dòng xoáy, bởi vì dòng xoáy ở đầu ra sẽ hút khí xuống đường chất lỏng và gây ra vấn đề mà bình chứa phải ngăn chặn.

2. Định cỡ và điều khiển bộ tách ba pha

Cả hai tiêu chí độc lập đều phải được đáp ứng và kiểm soát giao diện là yếu tố quyết định liệu thiết kế có hoạt động trong thực tế hay không:

• Công suất khí:Bình phải rộng và đủ dài để vận tốc khí duy trì dưới giới hạn Souders-Brown, v_max = K x sqrt((rho_L - rho_V) / rho_V), với K là 0,10-0,25 m/s đối với bình ba pha nằm ngang tùy thuộc vào tỷ lệ chiều dài trên đường kính và bộ khử sương mù. Diện tích dòng khí là mặt cắt ngang phía trên mức chất lỏng, do đó điểm đặt mức chất lỏng ảnh hưởng trực tiếp đến công suất khí: bình chạy với mức chất lỏng cao sẽ có ít diện tích khí hơn và vận tốc khí cao hơn, đó là lý do tại sao điểm đặt mức chất lỏng là một phần của thiết kế chứ không phải là ưu tiên vận hành. Công suất khí thường chi phối ở tỷ lệ khí-dầu cao và trong giai đoạn đầu của mỏ, trong khi nơi cư trú chất lỏng chi phối muộn hơn khi lượng nước cắt giảm tăng lên.
• Thời gian lưu giữ dầu và nước:Mặt chất lỏng được xác định kích thước bằng cách lắng, sử dụng định luật Stokes với kích thước giọt thích hợp. Đối với các giọt nước lắng ra khỏi dầu, đường cắt thiết kế thường là 200-500 micromet và thời gian cư trú yêu cầu phụ thuộc nhiều vào độ nhớt của dầu, đó là lý do tại sao dầu thô nặng dưới khoảng 20 API cần 20-30 phút trong khi dầu thô nhẹ trên 35 API có thể chỉ cần 5-10. Đối với những giọt dầu nổi lên khỏi mặt nước, vết cắt thiết kế thường là 150-300 micromet và thời gian lưu giữ thường là 3-10 phút. Cả hai đều được kiểm tra độc lập và chiều dài bình sau đó được thiết lập theo yêu cầu lớn hơn. Nhiệt độ giúp ích cho cả hai điều này: làm nóng dòng dầu đến 40-70°C làm giảm độ nhớt của dầu, tăng chênh lệch mật độ và làm mất ổn định màng giao diện, vì vậy nhiều bộ tách ba pha được cung cấp một cuộn dây gia nhiệt hoặc đặt trước một bộ gia nhiệt.
• Kiểm soát cấp độ giao diện:Đây là nơi mà bộ tách ba pha thành công hay thất bại. Mặt phân cách giữa dầu và nước hiếm khi là một đường thẳng; nó thường là một dải nhũ tương có đường kính 100-500 mm chứa chất rắn và bộ điều khiển phải giữ giao diện bên trong bình trong khi dải nhũ tương phát triển và co lại theo tốc độ và liều lượng hóa chất. Đo chênh lệch áp suất không đầy đủ do chênh lệch mật độ giữa dầu và nước nhỏ nên tín hiệu yếu và nhịp bị chi phối bởi sai số; thay vào đó, người ta sử dụng các đầu dò điện dung hoặc độ dẫn, radar dẫn sóng hoặc máy phân tích mật độ hạt nhân trong điều kiện khắc nghiệt. Dải điều khiển phải đủ rộng để hoạt động, thường là 150-300 mm, đồng thời cả mức dầu và giao diện đều cần đo độc lập bằng các cảnh báo và đối với cửa xả khí, chuyến đi ở mức cao.
• Vấn đề vận hành: Nhũ tương, cát và bọt:Ba vấn đề gây ra hầu hết các khiếu nại về hiệu suất. Sự hình thành nhũ tương ở bề mặt phân cách, phát triển cho đến khi chiếm một phần lớn thể tích và cuối cùng thoát ra cùng với cả dầu và nước; nó được quản lý bằng cách bơm chất khử nhũ tương ngược dòng, bằng nhiệt, bằng cách xả định kỳ dải nhũ tương qua một vòi phun chuyên dụng và bằng cách không để dải nhũ tương tích tụ trong nhiều tháng. Cát lắng xuống dưới nước làm giảm khối lượng làm việc và làm xói mòn các cửa xả; nó được loại bỏ bằng cách phun và ở nơi việc sản xuất cát diễn ra liên tục, bằng hệ thống xử lý cát chuyên dụng. Bọt, hình thành khi khí thoát ra từ dầu nhớt hoặc dầu bị ô nhiễm và có thể lấp đầy không gian chứa hơi và được đưa vào cửa thoát khí; nó được kiểm soát bằng cách phun chất chống tạo bọt, với thiết bị đầu vào hiệu quả và bằng cách giữ mức chất lỏng dưới điểm mà bọt chạm tới bộ khử sương mù.

Ma trận cấu hình bên trong của bộ tách ba pha

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

Hỏi: Làm thế nào để bạn xác định kích thước của một máy tách ba pha mỏ dầu?

Đáp: Hai tiêu chí độc lập, cả hai đều phải được đáp ứng. Đầu tiên, công suất khí: áp dụng phương trình Souders-Brown với hệ số K là 0,10-0,25 m/s để tìm diện tích dòng khí tối thiểu, hãy nhớ rằng diện tích khí là mặt cắt ngang phía trên mực chất lỏng, do đó điểm đặt mức là đầu vào thiết kế. Thứ hai, lưu giữ chất lỏng: đối với những giọt nước có kích thước 200-500 micromet lắng ra khỏi dầu, cho phép lưu trú dựa trên độ nhớt của dầu, thường là 5-30 phút tùy thuộc vào trọng lượng API; và để những giọt dầu có kích thước 150-300 micromet nổi lên khỏi mặt nước, để 3-10 phút. Lấy kết quả lớn nhất, kiểm tra trường hợp chỉnh góc ở mức 30-50% thiết kế và xác nhận rằng dải điều khiển giao diện ít nhất là 150-300 mm. API 12J cung cấp khuôn khổ ngành và cách tốt nhất là kiểm tra trường hợp tuổi thọ muộn với mức cắt nước cao tách biệt với trường hợp tốc độ khí cao ở giai đoạn đầu.

Câu hỏi: Tại sao việc kiểm soát mức độ giao diện lại khó đến vậy?

Đáp: Ba lý do. Sự chênh lệch mật độ là nhỏ: dầu thô ở mức 850 kg/m3 so với nước sản xuất ở mức 1.020 kg/m3 chỉ chênh lệch khoảng 17%, do đó, một máy phát áp suất vi sai có độ chính xác điển hình sẽ đưa ra tín hiệu có sai số tương đối lớn và giao diện có thể di chuyển đáng kể trước khi bộ điều khiển phản hồi. Giao diện không phải là một đường mà là một dải: một lớp nhũ tương 100-500 mm, đôi khi nhiều hơn, phát triển giữa các pha và nó tăng lên và co lại theo tốc độ, theo nhiệt độ và liều lượng hóa chất, do đó bộ điều khiển đang theo dõi mục tiêu đang chuyển động chứ không phải là một ranh giới cố định. Và hai đầu ra tương tác với nhau: hút nhiều nước hơn sẽ di chuyển bề mặt phân cách xuống, làm thay đổi nơi cư trú của dầu và do đó làm thay đổi chất lượng dầu, do đó hai vòng phải được điều chỉnh cùng nhau thay vì độc lập. Đây là lý do tại sao các máy dò điện dung, độ dẫn hoặc giao diện nucleonic được ưu tiên sử dụng hơn là chênh lệch áp suất.

Hỏi: Dải nhũ tương là gì và nó được quản lý như thế nào?

Trả lời: Dải nhũ tương là lớp nhũ tương nước trong dầu hoặc dầu trong nước không hòa tan tích tụ ở bề mặt phân cách, được ổn định bằng nhựa đường, nhựa, chất rắn mịn và hóa chất hoạt động bề mặt. Nó hình thành do thời gian lưu trú trong bình không đủ để phá vỡ lớp nhũ tương chặt nhất nên vật liệu chưa hòa tan không có nơi nào để đi và tích tụ ở ranh giới. Nếu để yên, nó phát triển cho đến khi chiếm phần lớn không gian chất lỏng, làm giảm khả năng cư trú hiệu quả của cả hai pha, và cuối cùng nó thoát ra cùng với dầu, gây ra trầm tích cơ bản và nước không đúng tiêu chuẩn, hoặc cùng với nước, gây ra hàm lượng dầu cao trong nước. Quản lý bằng cách bơm chất khử nhũ tương ngược dòng với tốc độ 5-50 ppm, bằng cách gia nhiệt, xả băng định kỳ thông qua một vòi chuyên dụng nằm ở giao diện và bằng cách không để nó tích tụ trong nhiều tháng giữa các lần can thiệp. Dải tăng, được đo bằng máy phân tích nucleonic hoặc được suy ra từ kết quả đo giao diện trôi, là cảnh báo sớm về chất khử nhũ tương hoặc vấn đề tương thích hóa học.

Hỏi: Máy tách ba pha có thể đạt được chất lượng gì?

Đáp: Các số liệu điển hình, phụ thuộc nhiều vào dầu thô và thời gian lưu trú, là hàm lượng nước trong dầu ở cửa ra dầu là 0,5-5% và dầu trong nước ở mức 100-1.000 mg/L ở cửa ra nước, với lượng khí mang theo dưới 0,1 gallon Mỹ trên một triệu feet khối tiêu chuẩn. Điều đó không đủ tốt cho việc bán hoặc thải bỏ: dầu thô bán cần hàm lượng trầm tích cơ bản và nước dưới 0,5% và muối dưới 10 pound trên một nghìn thùng, đạt được trong bộ xử lý nhiệt và máy khử muối tĩnh điện, trong khi giới hạn xả hoặc bơm lại nước được sản xuất thường yêu cầu dầu trong nước dưới 20-40 mg/L, đạt được bằng tàu hớt váng, hydrocyclones hoặc tuyển nổi khí cảm ứng. Do đó, thiết bị tách ba pha là bước loại bỏ khối lượng lớn có nhiệm vụ làm cho thiết bị hạ nguồn nhỏ và đáng tin cậy, không tự sản xuất dầu bán được và nước dùng một lần.