DisCollection.ru

Авторефераты и темы диссертаций


Интенсификация процессов разделения продукции скважин и очистки ее компонентов

Костилевский Валерий Анатольевич, 27.10.2009

 

В свете современных научных представлений о разделении полидисперсных сред в полях действия механизма естественной или наведенной силы тяжести и механизма флотации и турбулентной микрофлотации установлено, что проблемы разделения продукции скважин и достижения высокой степени чистоты ее компонентов можно решать, используя, в частности, вихревые аппараты (центрифуги, гидроциклоны). Достижение удовлетворительного качества очистки возможно также путем совершенствования традиционных схем и оборудования.

Важнейшим условием решения проблемы очистки сточных вод является обеспечение работы системы в целом и используемого оборудования в режиме, исключающем передиспергирование при наиболее благоприятных фазовых контактах.

Во второй главе представлены результаты экспериментальных исследований процесса разделения систем типа «вода – механические примеси – нефть» в трехпродуктовых гидроциклонах.

Загрязнения, присутствующие в сточных водах, представляют собой сложные соединения (агломераты), состоящие из твердых механических примесей, нефти и нефтепродуктов. В связи с необходимостью интенсификации процессов разделения полидисперсных сред исследовалась возможность разрушения агломератов в поле центробежных сил гидроциклонов. Для оценки характера влияния центробежного поля на процесс разделения трехкомпонентной системы были проведены эксперименты в лабораторной пробирчатой центрифуге с искусственно приготовленной эмульсией.

Устойчивость агрегативного состояния смеси к воздействию центробежных сил оценивалась по содержанию нефти и механических примесей в верхнем, среднем и нижнем слоях центрифужной пробирки.

Проведена идентификация процессов разделения в гидроциклоне и центрифуге по скорости оседания, результаты которой показаны в таблице 1.

Установлено, что устойчивость агломератов обратно пропорциональна интенсивности центробежных сил.

Таблица 1 – Результаты идентификации процесса разделения

в гидроциклоне и центрифуге

Число оборотов центрифуги, об./мин Значение критерия Архимеда Угловая скорость частиц в гидроциклоне D = 40 мм, рад/мин Давление, необходимое для получения указанной угловой скорости, МПа

1000 2,208 2736 0,02

2500 13,798 8646 0,07

4000 35,324 10954 0,12

5500 66,785 15062 0,18

Исследования гидродинамики потоков в трехпродуктовых гидроциклонах, влияния конструктивных и технологических параметров работы на расходные характеристики и величину разрежения в центре закрученного потока, эффективности разделения гетерогенной среды проводились на лабораторной установке, разработанной во ВНИИСПТнефть и представленной на рисунке 1. Ее основным элементом является выполненный из органического стекла гидроциклон 1 регулируемой конфигурации. В экспериментах моделировались конструктивные особенности гидроциклонов ВНИИВОДГЕО, Гипровостокнефть.

1 – гидроциклон; 2 – емкость для эмульсии-суспензии; 3 – насос;

4 – манометр жидкостной; 5 – вентиль; 6 – манометр

Рисунок 1 – Экспериментальная гидроциклонная установка

В результате измерений и визуальных наблюдений за распределением подкрашенной жидкости, движением полиэтиленовых шариков получены эпюры тангенциальных и вертикальных составляющих скоростей. Наблюдаемые картины течения свидетельствуют о наличии в гидроциклоне циркуляционных процессов, застойных зон. При большинстве режимов отмечено образование газовоздушного столба, принимающего различные формы и восходящего к верхнему концу сливной трубки или нисходящего от него. Исследовалось влияние на производительность гидроциклона и структуру потока длины цилиндрической части гидроциклона, длины и диаметра сливной камеры гидроциклона, диаметра шламового отверстия, площади питающего отверстия и его формы, формы сливного патрубка и глубины погружения его в цилиндрическую часть, а также давления на входе в аппарат.

Установлено наличие в гидроциклоне циркуляционных токов и градиента скоростей между восходящими и нисходящими токами, усиливающих эффективность разрушения агломератов. На характер течения и формирование циркуляционных токов наибольшее влияние оказывают длина цилиндрической части, форма и диаметр сливного патрубка. На рисунке 2 показан общий вид и конструктивные особенности испытанных сливных патрубков.

С увеличением длины цилиндрической части, а также при использовании сливных патрубков большего внешнего диаметра эффективность разделения агломератов возрастает.

Рисунок 2 – Сливные патрубки

Формы патрубков 7, 8 наиболее благоприятны для образования газовоздушного столба и дают наибольшее разрежение. В патрубке 7 имеет место инжекция осевым обратным током жидкости ее основного потока и инжекция газовоздушным потоком основной массы жидкости для патрубка 8.

Результаты исследований зависимости разрежения в центре закрученного потока от давления исходной смеси для патрубков различных конструкций показаны на рисунке 3.

Рисунок 3 – Зависимость разрежения в центре закрученного потока

от давления исходной смеси

Установлено, что на формирование газовоздушного столба и величину разрежения в центре потока кроме давления питания и соотношения диаметров сливного патрубка и шламового отверстия оказывают влияние глубина погружения сливного патрубка в цилиндрическую часть гидроциклона и наличие подпора в выводящих коммуникациях. Получены эмпирические зависимости для определения величины разрежения в центре

закрученного потока от давления питания Р для сливного патрубка цилиндрической и конической форм с углом ? наклона внутренней образующей сливного канала:

=5,499 ±0,419 (lnР +2) + 0,118(lnР +2)2 ; (1)

Графическая зависимость диаметра воздушного столба от давления на выходе из гидроциклона, показана на рисунке 4.

Для рассматриваемых форм сливных патрубков исследовано влияние давления исходной смеси на расходные характеристики гидроциклона. Построены их графические зависимости и зависимости величины уноса воды с газонефтяной смесью в шламосборник от давления.

В главе приводятся сравнительные данные по оценке эффективности разделения искусственно приготовленных сточных вод, содержащих включения нефти (масла) и твердых частиц для трехпродуктовых гидроциклонов различных конструкций. Исследовалось влияние давления, наличия подпора, длины цилиндрической части, диаметра гидроциклона, глубины погружения сливной трубки в цилиндрическую часть, формы питающего отверстия и наклона винтового канала ввода среды, времени пребывания легких фракций в аппарате.

Давление на выходе из ГЦ, МПа

1, 2, 3 – давление на входе соответственно 0,30; 0,20; 0,15 МПа;

4, 5 – постоянный перепад давлений соответственно 0,10; 0,15 МПа

Рисунок 4 – Графики зависимости диаметра воздушного столба

от давления на выходе из ГЦ

Полученные результаты показали возможность использования трехпродуктовых гидроциклонов исследованных конструкций в качестве эффективного средства, интенсифицирующего процесс разделения сред, и позволили определить технологические параметры и оптимальные конструктивные характеристики элементов гидроциклона для очистки сточных вод. Установлено, что для обеспечения высокого качества очистки промышленных сточных вод, содержащих в своем составе механические примеси, эмульгированную нефть, сложные агломераты и газы, необходимо дифференцированно подводить энергию закрученного потока на каждой стадии разделения продукта или разрушения агломератов. Это может быть осуществлено в мультигидроциклоне специальной конструкции, реализующем необходимую последовательность гидродинамических режимов.

В третьей главе рассмотрены вопросы интенсификации процессов подготовки продукции скважин и ее компонентов гидроциклонированием.

Выделены три основных этапа в процессе движения смеси – этап сбора и транспорта до пунктов подготовки; этап последовательного разделения продукции на составляющие: нефть, газ и воду; этап очистки и доведения компонентов продукции до кондиции. Показано, что гидроциклоны могут использоваться для решения задач каждого этапа в различных качествах – от водоотделителей в системах предварительного сброса воды до стабилизаторов нефти и аппаратов очистки воды в системе получения кондиционного продукта, различаясь геометрией конструкции, конструктивными и технологическими параметрами и режимами работы.