Алина ГИМАЕВА
Доцент кафедры разработки и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов, к.т.н., Институт геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Е-mail: argimaeva@yandex.ru
Руфат САДРТДИНОВ
Магистрант, Институт геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Е-mail: rufatsadrtdinov@mail.ru
Метаданные научной публикации
Выбор типа сепаратора для разделения многофазной продукции месторождений как средство ресурсоэнергосбережения
Selecting the type of separator for separating multiphase field products as a means of resource and energy saving
Алина ГИМАЕВА
Доцент кафедры разработки и эксплуатации месторождений трудноизвлекаемых углеводородов, к.т.н., Институт геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Е-mail: argimaeva@yandex.ru
Руфат САДРТДИНОВ
Магистрант, Институт геологии и нефтегазовых технологий, Казанский федеральный университет
Е-mail: rufatsadrtdinov@mail.ru
Alina GIMAEVA
Associate Professor, Ph.D., Department of Development and Operation of Hard-to-Recover Hydrocarbon Deposits, Institute of Geology and Oil and Gas Technologies, Kazan Federal University
Е-mail: argimaeva@yandex.ru
Rufat SADRTDINOV
Master’s student, Institute of Geology and Oil and Gas Technologies, Kazan Federal University
Е-mail: rufatsadrtdinov@mail.ru
Аннотация. В последние годы наблюдается активное развитие технологий подготовки нефти и газа на дне моря. Уже сегодня в мире вводятся в эксплуатацию многочисленные подводные системы, и это не только отдельные сепарационные установки, но и комплексные модульные системы добычи и подготовки углеводородного сырья на морском дне. Одним из важных факторов ресурсоэнергосбережения в процессах подготовки морской нефти является правильный выбор сепаратора. Сепаратор должен быть спроектирован таким образом, чтобы обеспечить наиболее полное разделение добываемой многофазной продукции на составляющие компоненты (нефть, газ и воду). Так как именно качество разделения определяет как эффективность дальнейших операций по сбору, подготовке и транспорту, так и качество самой продукции.
Ключевые слова: сепараторы, морские месторождения, подводный добычной комплекс, многофазная продукция.
Abstract. In recent years, there has been an active development of oil and gas preparation technologies at the bottom of the sea. Numerous subsea systems are already being commissioned in the world today, and these are not only separate separation plants, but also complex modular systems for the extraction and preparation of hydrocarbons on the seabed. One of the important factors of resource and energy saving in the processes of offshore oil preparation is the right choice of separator. The separator should be designed in such a way as to ensure the most complete separation of the produced multiphase products into their constituent components (oil, gas and water). Since it is the quality of separation that determines both the effectiveness of further collection, preparation and transport operations, as well as the quality of the products themselves.
Keywords: separators, offshore fields, subsea production complex, multiphase products.
УДК 622.276.04
DOI 10.46920/2409‑5516_2025_12215_32
EDN: JEOOWR
Введение
Реализация глубоководных проектов по добыче нефти и газа – жизненно важная задача, решение которой может помочь удовлетворить растущий спрос на энергоносители в мире. Более 85% общих ресурсов нефти и газа российского шельфа сосредоточено в арктических морях, что предопределяет актуальность и важность научно-технического прогресса в этой области для развития нефтяной и газовой промышленности России в целом.
Подводный добычной комплекс представляет собой совокупность технологических блоков, расположенных на морском дне, отвечающих за определенные операции при эксплуатации морских скважин с подводным устьем. Подводный комплекс может сопровождаться гидротехническим сооружением, на котором проводятся вспомогательные операции (контроль, сепарация, и т. д.), либо работать автономно с помощью блока управления. В последние 10 лет происходит активное развитие технологий подводной подготовки скважинной продукции [1]. Размещение технологического оборудования на морском дне в непосредственной близости от устьев скважин позволяет более эффективно осуществлять разработку месторождения, в частности:
– поддерживать необходимое для добычи тяжелой нефти давление на устье;
– повышать давление на входе во внутрипромысловую систему сбора для месторождений с низким пластовым давлением;
– снижать риски, связанные с гидратообразованием в системе сбора;
– обеспечивать эффективную добычу нефти при повышении уровня обводненности за счет использования сепараторов нефть/вода;
– более гибко подходить к проектированию верхних строений морских платформ за счет размещения части технологического процесса на морском дне;
– значительно снижать эксплуатационные затраты за счет подбора оптимального дожимного оборудования (применение однофазных насосов взамен многофазных).
Источник: finobzor.ru
Объект и методы исследования
На сегодняшний день технология подводной сепарации успешно применяется и на только вводимых в эксплуатацию месторождениях, и на месторождениях, где добыча осуществляется уже достаточно длительное время. Для таких «зрелых» месторождений уровень добычи, коэффициент извлечения и, как следствие, общая экономическая эффективность могут быть увеличены за счет продления периода эксплуатации уже существующей технологической инфраструктуры. Например, сепарация попутной воды с ее последующей закачкой в пласт позволит повысить производительность трубопроводов и райзеров и исключить необходимость модернизации технологического оборудования на верхних строениях платформы. При разработке новых месторождений система подводной добычи может быть сразу спроектирована с учетом реализации первичной сепарации на морском дне, в результате чего могут быть снижены требования к производительности аналогичного оборудования на морской платформе [2, 3]. В ряде случаев использование подводных сепараторов позволяет существенно увеличить гибкость проекта и повысить его экономическую эффективность.
Подводная сепарация является достаточно апробированной технологией, и уже получила своё применение на ряде месторождений углеводородов мира.
На сегодняшний день в мире применяется несколько технологий первичной подводной сепарации:
– двухфазная сепарация жидкость/жидкость, реализуемая с применением традиционных гравитационных сепараторов достаточно большого размера или с помощью компактных сепараторов (кессонной конструкции или внутритрубных);
– двухфазная сепарация газ/жидкость (реализуется аналогично предыдущей технологии);
– трехфазная сепарация.
Технологии двухфазной сепарации на сегодняшний день прошли необходимую квалификацию и проверены в эксплуатации на месторождениях Tordis, Pazflor и др. Одной из первых реализованных концепций подводной подготовки продукции скважин является технология сепарации воды из нефти с последующей закачкой отсепарированной воды в пласт.
Первый прототип подводного сепаратора нефть/вода был испытан на месторождении Troll еще в 1999 г. Принцип технологии подводной сепарации состоит в установке специально приспособленного сепаратора, возможно, гидроциклона, который отделяет нефтяную/газовую фазу от воды уже внутри эксплуатационной скважины. Водная фаза закачивается обратно в продуктивный пласт или в другую, более подходящую формацию при помощи насоса, который также установлен в скважине. Так же при подводной сепарации будет снижена добыча воды на установку и обработка на установке пластовой воды. Это позволяет сократить потребление ингибиторов коррозии и гидратообразования.
В системе сбора и подготовки применяется сепарационное оборудование, которое имеет различное исполнение и конструкцию. Сепараторы предназначены для отделения нефти и газа, а также механических примесей. Они проектируются таким образом, чтобы должным образом обеспечить наиболее полное разделение, так как качество разделения определяет эффективность дальнейших операций, а также качество продукции.
Отделение нефти от газа и воды в различных сепараторах производится с целью [4]:
1) получения нефтяного газа, который используется как химическое сырье или как топливо;
2) уменьшения перемешивания нефтегазового потока и снижения за счет этого гидравлических сопротивлений;
3) уменьшения пенообразования (оно усиливается выделяющимися пузырьками газа);
4) уменьшения пульсаций давления в трубопроводах при дальнейшем транспорте нефти от сепараторов первой ступени до установки подготовки нефти (УПН).
Из приведенной классификации сепараторов наиболее простой конструкцией обладают сепараторы, основанные на действии силы тяжести (гравитационные). Такие сепараторы требуют достаточно большого количества времени для отделения фаз. Они являются крупногабаритными.
В виде схемы классификацию можно представить согласно рис. 1 [4].
Отделение нефти от газа и воды в различных сепараторах производится с целью:
1) получения нефтяного газа, который используется как химическое сырье или как топливо;
2) уменьшения перемешивания нефтегазового потока и снижения за счет этого гидравлических сопротивлений;
3) уменьшения пенообразования (оно усиливается выделяющимися пузырьками газа);
4) уменьшения пульсаций давления в трубопроводах при дальнейшем транспорте нефти от сепараторов первой ступени до установки подготовки нефти (УПН).
Из приведенной классификации сепараторов наиболее простой конструкцией обладают сепараторы, основанные на действии силы тяжести (гравитационные). Такие сепараторы требуют достаточно большого количества времени для отделения фаз. Они являются крупногабаритными.
В последнее время все чаще используются компактные сепарационные установки (особенно это актуально для морских месторождений), основанные на центробежной силе, скорость их разделения во много раз превышает скорость разделения гравитационных сепараторов.
Основными факторами, влияющими на эффективность разделения, являются [3, 5]:
– расход газа и жидкости;
– рабочие и расчетные давления и температуры;
– физические свойства жидкостей;
– степень разделения;
– вспенивание сырой нефти.
Рассмотрим основные типы наиболее применяемых сепараторов как в общем виде, так и подводного исполнения для морских месторождений, а также их конструкцию и принцип работы.
Гравитационные сепараторы
Гравитационные сепараторы могут использоваться как на суше, так и под водой, в связи с этим приведем краткий обзор обычных гравитационных сепараторов, а также рассмотрим принципы их работы.
Гравитационные сепараторы бывают различных типов [2, 4]:
– горизонтальные;
– вертикальные;
– сферические;
– различные вариации конструкций на их основе.
Вертикальный сепаратор. Сепаратор с жалюзийной насадкой (рис. 2) работает следующим образом. Нефтегазовая смесь под давлением поступает через патрубок 1 к раздаточному коллектору 2, имеющему по всей длине щель для выхода смеси. Из щели нефтегазовая смесь попадает на наклонные плоскости 6, увеличивающие путь движения нефти и способствующие тем самым выделению окклюдированных (растворенных) пузырьков газа. В верхней части сепаратора установлена каплеуловительная насадка 4 жалюзийного типа, сечение которой показано на том же рисунке. Капельки нефти, отбиваемые в жалюзийной насадке 4, стекают в поддон и по дренажной трубе 13 направляются в нижнюю часть сепаратора.
В сечении жалюзи условно показаны две капли нефти: большая а, которая, пройдя две гофры, прилипает к стенке жалюзи и стекает по стенке вниз, и мелкая б, пролетевшая с потоком газа все гофры, не прилипнув ни к одной из них.
Каплеулавливающая насадка 4 может быть различной конструкции. Работа ее должна основываться на следующих принципах:
столкновении потока газа с различного рода перегородками;
изменении направления и скорости потока;
использовании центробежной силы;
использовании коалесцирующей набивки (различного рода металлических сеток).
Перегородки 10 в сепараторе служат для успокоения уровня при пульсирующей подаче продукции скважин, а датчик регулятора уровня поплавкового типа 7 с исполнительным механизмом 8 – для циклического вывода нефти из корпуса сепаратора. Через патрубок 9 с установленной на нем задвижкой сбрасывается скопившаяся грязь. В верхней части сепаратора располагается предохранительный клапан 5, рассчитанный на сбрасывание газа при достижении в сепараторе давления выше нормы, предусмотренной технологическими процессами. На газовом патрубке сепаратора имеется также регулятор давления «до себя» 3, поддерживающий необходимое давление в корпусе сепаратора.
В нижней части корпуса сепаратора устанавливается водомерное стекло 11 с отключающимися краниками 12, предназначенное для измерения количества подаваемой жидкости.
Горизонтальный сепаратор. Газонефтяной сепаратор (рис. 3) состоит из технологической емкости 1, внутри которой расположены две наклонные полки 2, пеногаситель 3, влагоотделитель 5 и устройство 7 для предотвращения образования воронки при дренаже нефти. Технологическая емкость снабжена патрубком 10 для ввода газонефтяной смеси, штуцерами выхода газа 4 и нефти 6 и люк-лазом 8. Наклонные полки выполнены в виде желобов с отбортовкой не менее 150 мм. В месте ввода газонефтяной смеси в сепаратор смонтировано распределительное устройство 9.
Газонефтяная смесь через патрубок 10 и распределительное устройство 9 поступает на полки 2 и по ним стекает в нижнюю часть технологической емкости. Стекая по наклонным полкам, нефть освобождается от пузырьков газа. Выделившийся из нефти газ проходит пеногаситель 3, где разрушается пена, и влагоотделитель 5, где очищается от капель нефти, и через штуцер выхода газа 4 отводится из аппарата. Дегазированная нефть накапливается в нижней части технологической емкости и отводится из аппарата через штуцер 6.
Для повышения эффективности процесса сепарации в горизонтальных сепараторах используют гидроциклонные устройства, представленные на рис. 4.
Сферический сепаратор. Сферические сепараторы применяются для разгазирования нефти при разработке шельфовых месторождений, которые отличаются высоким давлением. Конструкции сферических сепараторов представлены на рис. 5
Каждый из указанных сепараторов в зависимости от его применения и конструктивных особенностей имеет свои преимущества и недостатки.
Горизонтальные сепараторы имеют ряд преимуществ перед вертикальными, большую пропускную способность и более высокий эффект сепарации [6]. В горизонтальном сепараторе того же объема, что и вертикальный, производительность по газу больше, поскольку площадь его в диаметральном сечении в несколько раз превышает площадь вертикального сепаратора. Поверхность раздела фаз, газ – жидкость в горизонтальном сепараторе достаточно велика, поэтому требуется меньше времени для всплытия пузырьков газа в жидкости. Горизонтальные сепараторы монтировать и обслуживать намного проще, чем вертикальные, но они требуют большей площади, что является существенным недостатком, когда месторождение расположено в море.
Для трехфазных потоков горизонтальная конфигурация также лучше всего подходит из-за большей поверхности раздела между жидкостями. Они также лучше подходят для обработки потоков, содержащих песок и другие отложения, и часто снабжаются конусным дном для улавливания песка.
Сферические сепараторы имеют небольшую массу при таком же диаметре, что и цилиндрические, они компактны. Наибольшее преимущество в металлоемкости (масса сепаратора в килограммах, отнесенная к пропускной способности по газу в тысячах кубических метров в сутки) у сферических сепараторов проявляется при работе с газом высокого давления и при больших объемах обрабатываемого газа. Компактность этих сепараторов позволяет легко их обслуживать и проводить необходимый ремонт [7]. По занимаемой площади сферические сепараторы сравнимы с вертикальными.
Впускное (входное) устройство оказывает большое влияние на общую эффективность сепаратора, так как хорошее объемное разделение уменьшает нагрузку на остальную часть сепаратора и, следовательно, сепаратор может быть меньше и дешевле. Нарушение распределения потока во впускном устройстве приводит к необходимости более длительного времени удерживания для получения такой же степени разделения. Кроме того, входное устройство должно быть способно предотвращать вспенивание, что также повышает эффективность и снижает потребность в химических веществах.
Существует несколько типов входных устройств с различными рабочими механизмами. Исполнение этих устройств отличается друг от друга как по эффективности, так и по сложности устройств.
Типы входных устройств [8, 9]:
– разделительная пластина;
– перфорированная трубка;
– входное лопастное устройство;
– впускная труба циклонного типа.
Разделительная пластина. На рис. 6 показаны два примера разделительных пластин. Слева – горизонтальный разделитель, справа – вертикальный. К недостаткам данного устройства можно отнести проблемы с капельками жидкостей (в процессе создаются небольшие капли, которые сложнее потом отделить).
Перфорированная трубка. Перфорированная трубка представляет собой горизонтально ориентированный цилиндр, где нижняя половина удаляется продольно как представлено на рис. 7. Она имеет простую конструкцию, проходя через нее газ и жидкость направляются вниз сепаратора, тем самым забирая за собой некоторый объем газа. Используется в основном в вертикальных сепараторах.
Входное лопастное устройство. Более сложным вариантом является использование распределителя на впускной лопасти, показанного на рис. 8. Такой вариант используется, когда большую часть многофазного потока занимает газ [10]. Это наиболее частое входное устройство в скрубберах.
Впускная труба циклонного типа. Это впускное устройство является наиболее рациональным, так как осуществляет наиболее полное разделение, но имеет сложную конструкцию. Благодаря центробежным силам происходит разделение и распределение потока на газ и жидкость. Так же в этом устройстве возможно отделение твердых частиц. Поток приводится во вращение с помощью специального устройства, центрифуги.
В то же время впускные циклоны могут обеспечить эффективный метод разделения сыпучих материалов. Такие проблемы, как диспергирование и вспенивание, исключаются благодаря гладким поверхностям и высоким центробежным силам.
В таблице 1 представлено сравнение входных устройств по их функциональности. Как видно из таблицы, самым эффективным является циклонное устройство. Впускное устройство является важным элементом в конструкции любого сепаратора, так как оказывает огромное влияние на отделение газа от нефти.
Циклонные (компактные) сепараторы
Тот факт, что гравитационные сепараторы обладают большими габаритами и весом в сочетании с отсутствием пространства на морских установках, приводят к значительному увеличению исследований в области использования циклонических устройств. В циклоне в дополнение к гравитационным силам вводятся центробежные силы, создавая вихрь в потоке. Циклон состоит из впускного и цилиндрического корпуса, где впуск создает завихрение, порождающее центробежные силы на жидкости, в несколько раз превышающие силы гравитации. Из-за различий в плотности жидкость направляется радиально наружу и вниз, в то время как газ приводится внутрь и вверх в цилиндр. Разделение будет происходить гораздо быстрее, следовательно, оборудование для разделения может быть меньше, уменьшая как площадь основания, так и массу.
Конструкция циклонов выгодна по сравнению с другими типами сепараторов, поскольку она проста, не имеет движущихся частей, компактна, мала, что может привести к снижению затрат. Именно компактность делает применение циклонных сепараторов наиболее рациональным вариантом для подводного использования. В настоящее время подводные сепарационные установки используют циклоны как часть технологии в качестве входных или выпускных устройств в гравитационных сепараторах.
В зависимости от условий эксплуатации в каждом конкретном случае определяется, какая из представленных конструкций сепаратора будет наиболее эффективной, при этом также учитывается и экономический показатель [9].
Технология подводной сепарации в настоящее время еще продолжает разрабатываться. Предпочтительно для месторождений, на которых есть необходимость поддержания пластового давления, ее удобно совмещать с обратной закачкой воды. Подводная сепарация также позволяет сократить потребность в энергии и, тем самым, выбросы в атмосферу по сравнению с обратной закачкой с платформы. Подводная сепарация обладает большим потенциалом для морских и арктических месторождений, поэтому вопросы рационального выбора сепаратора будут актуальными для разработки многих месторождений в будущем.
Заключение
Изучив конструкции применяемых в промышленности сепараторов, было выявлено, что гравитационные сепараторы обладают наиболее простой конструкцией по сравнению с другими типами. Гравитационные сепараторы являются крупногабаритными и им необходимо достаточно большое количество времени для отделения фаз, поэтому наиболее рационально использовать их на суше.
В связи с отсутствием пространства на морских установках и необходимости быстрой скорости разделения фаз появилась необходимость подбора компактной сепарационной установки, которая будет отличаться простотой конструкции и позволит снизить затраты. Всем этим требованиям отвечают циклонные сепараторы, являющиеся наиболее рациональным вариантом для подводного использования.
В ходе проведенного анализа конструкций сепараторов было выявлено, что впускное (входное) устройство сепаратора оказывает большое влияние на его эффективность. Существуют несколько типов входных устройств, отличающиеся друг от друга как по эффективности, так и по сложности устройств. Изучив требования, предъявляемые к входным устройствам сепараторов, так и выполняемые ими функции, был сделан вывод, что самым эффективным из них является сепаратор с впускной трубой циклонного типа.