Технологии подготовки нефти и воды разнообразны. «Классическая» на промыслах для нефти - метод гравитационного отстоя и разделения, при «сложностях» – с нагреванием и добавлением химреагентов. Широко распространённый, а на НПЗ – единственный метод: применение электродегидраторов.
В настоящее время одним из «нетрадиционных» является метод с использованием центробежной технологии (далее ЦТ): динамическая сепарация в поле центробежных сил водонефтегазовых смесей.
В непрерывном процессе из сырой нефти удаляется газовая фаза (до подачи сырья на вход в центрифугу). Подача жидкого продукта осуществляется внутрь вращающегося барабана центрифуги, где происходит отделение из-за разницы плотностей - механических твёрдых частиц одновременно с разделением на 2 потока жидких фаз: водной («тяжелой») и нефтяной фазы («лёгкой»). По устройству наиболее распространёнными типами 2-х и 3-х фазных центрифуг являются тарельчатые вертикальные сепараторы (саморазгружающегося типа с периодической выгрузкой «тяжелой» фазы в цикле разгрузки) и соплового типа (непрерывная выгрузка «тяжёлой» фазы через отверстия в барабане), а также шнековые горизонтальные декантеры. Выбор типа центрифуги определяется задачами конкретного производства и исходного сырья.
Основными технологическими, геометрическими и гидромеханическими отличиями различных современных центрифуг в применении нефтяных продуктов являются следующие:
- в сепараторе величина поверхности «осветления» внутри барабана за счёт пакета тарелок (более 200 штук для барабанов диаметром 600-800 мм с зазором между тарелками от 0,5 до 1 мм) площадь «осветления» достигает сотен кв.м;
- степень воздействия в поле центробежных сил на отделяемые частицы и жидкие фазы (так называемый g-фактор) при равной производительности в сепараторах всегда выше, чем у декантеров;
- в декантере при более низкой поверхности осветления за счёт применения конического барабана (угол конуса от 6 до 20 градусов) и наличия шнека возможна переработка сырья с большим количеством твёрдого вещества при одновременном разделении жидких фаз и «осушении» твёрдой фазы.
Оценочная формула и влияние факторов на эффективность разделения:
Основным оборудованием для подготовки нефти и воды является тарельчатый сепаратор. Его применение позволяет стабильно достичь подготовки нефти до требований 1-ой группы качества по ГОСТ Р 51858-2002 (вода – до 0,5 %; содержание хлористых солей – до 100 мг/дм3; содержание мехчастиц – до 0,05 %) в непрерывном режиме производства. Для промысловой воды – достичь удаления ТВЧ и КВЧ на уровне до 10 ppm с одновременным концентрированием нефтяной фазы, включая эмульсию.
Пример блок-модуля на базе центрифуги WSD/OSE 200 производства GEA Westfalia Separator и основных устройств, габариты приведены на рисунках. 19 центрифуг этого типоразмера успешно эксплуатируются в России.
Выгрузка жидких фаз из сепаратора происходит под избыточным давлением за счёт предустановленных центростремительных насосов (ЦСН): за счёт превращения кинетической энергии вращающейся в барабане жидкости при прохождении через каналы ЦСН переменного сечения внутри неподвижной «крыльчатки» создаётся избыточное давление в потоке.
Схема разделения в 3-х фазном тарельчатом сепараторе условно показана на рисунке: справа – в цикле производства (сепарации сырья), слева – в цикле выгрузки мехчастиц (секунды, без снижения скорости вращения барабана).
Применение ЦТ неотвратимо наступит за счёт нескольких ключевых факторов и уникальных технологических преимуществ: компактность; эффективность разделения «сложных» нефтей и нефтеэмульсий; высокая степень автоматизации и непрерывная безопасная работа на сырье даже изменяющегося компонентного состава - в «потоке». Универсальность: в начальной стадии эксплуатации на месторождении - поставка сепаратора с целевым продуктом «нефть», а за счёт замены только пакета тарелок внутри барабана – перевод его работы на очистку воды, как целевого продукта, например, для закачки в пласт.
Какие основные черты мобильного универсального комплекса на базе ЦТ? Габариты тарельчатого сепаратора вышеуказанного типоразмера позволяют «вписать» 2 единицы оборудования в 2-х ярусный утеплённый контейнер-укрытие. Внутри укрытия оборудуется сервисная зона для проведения регламентных работ и ТО. При траспортировке комплекс имеет массо-габаритные размеры «контейнера». Верхняя и нижняя часть укрытия транспортируются по отдельности.
Сервисные среды, которые необходимы для эксплуатации сепаратора:
- электрическая мощность (100 кВт/ед. при работе 1+1 в резерве);
- воздух КИПиА, если не применяются электроприводы для ЗРА;
- пресная вода для работы системы «саморазгрузки» (часто эта вода применяется дополнительно для обессоливания сырой нефти - при подаче воды в поток на входе);
- азот как средство инертизации оборудования и сырьевых трубопроводов при условии, когда Твсп нефти близка к рабочей температуре сепарации (обычно на 15-20 оС, главным образом - для лёгких и конденсатных нефтей).
Какое дополнительное оборудование и компоненты необходимы для работы комплекса при подготовке нефти (целевой продукт) в полностью автоматизированном режиме с использованием 3-х фазного сепаратора в 1 стадию?
1. Исходное сырье находится в отдельной накопительной ёмкости
2. Механический фильтр (защитный, 2-х камерный, 500 мкм катридж)
3. Теплообменник проточного типа - для нагревания исходного сырья до оптимальной рабочей температуры сепарации
4. Насос подачи объёмного типа, оптимально винтовой, как не создающий условий для дополнительного эмульгирования в потоке.*
5. Дегазатор на входном потоке – оптимально применить высокоэффективные трубные делители фаз от ООО «АЭРОГАЗ»
6. На входе сырья: датчики Р, Т, измеритель расхода (счётчик жидкости СКЖ или РИНГ) из Ti с полимерным покрытием (ООО НПО «НТЭС»), влагомер в потоке
7. На выходе лёгкой фазы (подготовленная нефть – целевой продукт): датчики Р,Т, расходомер и влагомер с диапазоном до 1%
8. На выходе водной фазы: датчики Р, Т, расходомер (для контроля матбаланса), прибор для измерения остаточной нефти в воде
9. Блок автоматического поддержания избыточного давления азота в системе инертизации (обычно до 50-60 мбар)
10. Накопительные ёмкости-резервуары (внешние) для нефти, водной фазы и жидкого шлама (перекачивается шламовым насосом): смесь концентрированной твёрдой фазы (мехчастицы), воды, а также частично тяжёлых нефтепродуктов типа АСПО.
11. «Комплект» систем безопасности пожарной и эксплуатации единиц оборудования комплекса, а также работы персонала в укрытии в соответствии с требованиями ХОПО.
*Возможна работа без насоса подачи, опробована. Требует дополнительного усложнения технологической схемы системой сброса газовой фазы с точным контролем работы теплообменника при изменения теплофизических свойств поступающего многокомпонентного нефтяного сырья переменного состава.
В настоящее время разработан и введён стандарт СТО ИНТИ S.80.1-2022 «Передвижные технологические установки. Промысловый сбор и подготовка нефтегазоводяной смеси», который устанавливает правила проектирования, изготовления и эксплуатации передвижных технологических установок, выполненных с применением блочно-модульного оборудования, для объектов обустройства (технологической инфраструктуры) нефтяных, газонефтяных, нефтегазовых и нефтегазоконденсатных месторождений. https://t.me/intiexpertru/265
При его дополнении вышеуказанным технологическим решением с использованием ЦТ – реконструкция существующих, а также реализация новых глобальных нефтегазовых проектов таких как «Восток Ойл» и разработка месторождений «Баженовской свиты» станут более рентабельными.
Эксперт по применению ЦТ, Марковцев Борис Георгиевич, к.т.н., апрель-май 2024
Дополнительная информация от автора в журналах https://burneft.ru/archive/issues/2021-04/20
https://digital.runeft.ru/2_2021/gea