Способы воздействия на эффективность работы трехфазного сепаратора

В статье систематизированы основные факторы, оказывающие воздействие на эффективность сепарации газожидкостной смеси. Даны рекомендации по повышению эффективности процесса сепарации.

Ключевые слова: трехфазный сепаратор, эффективность сепарации, газожидкостный поток, газ, смесь.

В газовой отрасли трёхфазные сепараторы (далее — ТФС) предназначены для разделения и очистки природной газожидкостной смеси, содержащей газ, жидкие углеводороды, воду и механические примеси.

Механизм работы большинства ТФС основан на гравитационном разделении газожидкостного потока на разные по плотности фракции: тяжелую (вода), среднюю (жидкий углеводородный конденсат) и легкую (углеводородные газы). Также в комбинации зачастую применяются механизмы инерциального и циклонного действия для газовой фазы.

Принципиальным отличием от двухфазного сепаратора является образование нестабильной зоны — дисперсной жидкости, состоящей из диспергированных тяжелой и средней фаз (очень мелких перемешанных между собой капелек воды и жидкого концентрата либо нефти), которые впоследствии за счет процессов коалесценции (слияния однородных частиц) переходят в свои непрерывные фазы. При этом находящиеся в газожидкостном потоке пузырьки газа, изначально растворенные во всех фазах, поднимаются наверх, последовательно преодолевая сопротивление воды, дисперсной жидкости и жидких углеводородов.

Таким образом, основными направлениями повышения эффективности работы ТФС являются интенсификация процесса газоотделения и улавливание капелек жидких углеводородов, уносимых с газом. Вода как фаза с наибольшей плотностью легче поддается сепарации, и той ее частью, которая уносится с газом и жидким углеводородным концентратом, можно пренебречь.

Лабораторным путем, а также посредством математического и компьютерного термодинамического моделирования выявлены факторы и процессы, воздействуя на которые можно влиять на эффективность работы сепаратора [1–4]:

1. Гидродинамические и термодинамические параметры потока:

а) структура потока, т. е. взаимное расположение и распределение в сечении сепаратора фаз с различной плотностью. Она влияет на взаимодействие фаз на границах раздела, а также на образование и форму внутренних течений и связана с проблемами расслоенного турбулентного движения смеси.

Как показывают исследования, наибольшая эффективность сепарации достигается при уменьшении величины объемного газосодержания (β) до значений, соответствующих первому режиму течения (см. рис. 1).

Рис. 1. Режимы течения газожидкостных смесей по Бакеру [1]

Примечание: β — объемное газосодержание; F _r — критерий Фруда.

б) состав смеси и физико-химические свойства ее компонентов (плотность, вязкость, поверхностное натяжение, газовый фактор, содержание воды, смол, парафинов, солей и др. веществ, молярные доли азота, метана и др. газов в газовой фазе и т. д.).

Воздействие на физико-химические свойства газожидкостного потока предусматривает снижение вязкости и поверхностного натяжения смеси. Чем ниже указанные параметры, тем эффективнее процесс сепарации.

Особо следует отметить поверхностное натяжение. Оно влияет на размер частиц жидкости в газе (обратная зависимость), а также на прочность жидкостных пленок (чем меньше поверхностное натяжение, тем легче потоку газа унести капельки жидкости из сепаратора). Поскольку поверхностное натяжение не поддается коррекции в промысловых условиях, его нельзя рассматривать как фактор повышения эффективности сепарации;

в) режим потока.

Зная режим потока (см. рис. 2), можно спрогнозировать объемное содержание жидкости, используя следующие формулы:

, (1)

где λ _L и H _L — объемы содержания жидкости соответственно при отсутствии или наличии проскальзывания фаз (H _L ≥ λ _L );

q _L — объемный расход жидкой фазы;

q _g — объемный расход газовой фазы;

F _r ^C — число Фруда для смеси;

а, b — эмпирические коэффициенты.

Рис. 2. Горизонтальные режимы потока по Беггзу и Бриллу [1]

г) профиль скорости потока.

г) градиент давления и температурный режим.

Согласно законам Рауля и Дальтона, с увеличением давления системы уменьшается молярная концентрация компонента в газовой фазе при одновременном ее возрастании в жидкой. Согласно формуле Стокса, скорость всплытия пузырьков газа находится в прямой зависимости от квадрата диаметра этих пузырьков. Следовательно, чем выше давление в сепараторе, тем медленнее процесс отделения мелких и тяжелых пузырьков газа от жидкой фазы.

Температура влияет на процесс в обратном направлении. Увеличение температуры ускоряет сепарацию газа за счет роста константы фазового равновесия. Зависимость констант фазового равновесия углеводородов от температуры показана на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость константы фазового равновесия компонентов смеси от температуры при постоянном давлении (Р = 0,1 Мпа) [4]

Кроме того, повышение температуры смеси приводит к снижению ее вязкости и, следовательно, к увеличению скорости всплытия пузырьков газа. Поскольку классический ТФС не является температурным сепаратором, в промысловых условиях для повышения температуры газожидкостной смеси осуществляют ее подогрев до ввода в сепаратор.

2. Интенсивность газоотделения:

а) скорость всплытия пузырьков газа.

б) время роста пузырьков газа;

Как правило, скорость всплытия пузырьков газа не превышает 20 см/с, и зависит она от воздействия динамических сил (подъемной силы и силы гидродинамического сопротивления) и сил поверхностного натяжения на границах преодолеваемых фаз различной плотности. При движении газожидкостного потока происходит непрерывное зарождение новых и рост уже образовавшихся пузырьков газа. Время роста пузырьков до видимых размеров настолько мало (τ =10– ⁴ с), что его можно не учитывать в практических расчетах и полагать, что после попадания в сепаратор пузырьки газа всплывают примерно за 40–60 с [4].

На практике из сепаратора уносится некоторое количество растворенного газа даже при условии пребывания газожидкостной смеси в сепараторе вчетверо дольше указанного срока. Это можно объяснить «интенсивным перемешиванием газожидкостной смеси и дроблением пузырьков на входе в сепаратор, а также образованием внутри сепаратора завихрений и местных течений большой скорости, препятствующих всплытию пузырьков» [4].

Интенсивность кипения газа зависит от гидродинамических и термодинамических параметров потока, а также сил поверхностного натяжения. Чем больше число центров парообразования, тем пересыщеннее смесь и, как следствие, выше частота отрыва пузырьков и интенсивнее процесс дегазификации жидких фаз.

Таким образом, для повышения эффективности сепарации газа следует обеспечить более плавные ввод и движение смеси в сепараторе.

3. Время пребывания газожидкостной смеси в сепараторе.

Увеличение времени задержки смеси в сепараторе (в пределах технологического режима) повышает эффективность его работы.

4. Интенсивность перемешивания газожидкостной смеси в сепараторе.

Интенсивное перемешивание смеси усиливает турбулентность потока и ухудшает его структуру, что отрицательно воздействует на процессы коалесценции.

6. Конструктивные параметры сепаратора.

Совершенствование конструкции сепаратора за счет введения в его секции дополнительных устройств способствует более эффективному:

б) улавливанию капелек жидкого концентрата, уносимых газом (фильтры, конденсатоотводчики, отбойные устройства);

в) снижению турбулентности потока (пластины, щелевой дегазатор, цилиндрические и полуцилиндрические поверхности).

Мероприятия по повышению эффективности работы ТФС, основанные на воздействии выделенных выше факторов, представлены в таблице 1.

Таблица 1

Мероприятия по повышению эффективности работы трехфазного сепаратора (разработано автором)

Примечания: О/П — соответственно обратный/прямой характер воздействия на эффективность сепарации; Н — трудно установить зависимость между величиной фактора и эффективностью сепарации; «–» — величиной фактора можно пренебречь, либо она мало поддается управлению; «+» — величина фактора важна и поддается управлению.

По результатам исследования можно сделать вывод, что подходы к управлению эффективностью работы трехфазного сепаратора основаны на воздействии на факторы прямого и обратного влияния, а также совершенствовании конструкции трубопровода до входа в сепаратор и конструктивных параметров самого сепаратора. Комплексное внедрение предлагаемых мероприятий позволит повысить сепарацию газа и уменьшить унос газом капелек жидких углеводородов в промысловых условиях.

Литература:

1. Борис А. А., Лягов А. В. Определение режима течения потока газожидкостной смеси в трубопроводах на установках путевого сброса воды Арланской группы месторождения ОАО «АНК «Башнефть» // Нефтегазовое дело. — 2012. — № 2 — с. 66–78. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ogbus.ru/article/view/opredelenie-rezhima-techeniya-potoka-gazozhidkostnoj-smesi-v-truboprovodax-na-ustanovkax-putevogo-sbrosa-vody-arlanskoj-gruppy-mestorozhdenij-oao-ank-bashneft/ (дата обращения 05.12.2020 г.).
2. Леонтьев С. А. Галикеев Р. М. Тарасов М. Ю. Технологический расчет и подбор стандартного оборудования для установок системы сбора и подготовки скважинной продукции: учебное пособие. — Тюмень: ТюмГНГУ, 2015. — 124 с.
3. Пятахин М. В. Гидродинамическая модель газожидкостного потока в скважине для импортозамещения коммерческого программного обеспечения // Территория «Нефтегаз». — 2016. — № 5 (май). — С. 34–42.
4. Ушева Н. В. Технологические основы и моделирование процессов промысловой подготовки нефти и газа: учебное пособие / Н. В. Ушева, Е. В. Бешагина, О. Е. Мойзес, Е. А. Кузьменко, А. А. Гавриков; Томский политехнический университет. — 2-е изд. — Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. — 128 с.