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Dokumentenidentifikation DE69808325T2 22.05.2003
EP-Veröffentlichungsnummer 1021231
Titel VERBESSERTER SCHRAUBENABSCHEIDER
Anmelder Pétroleo Brasileiro S.A. - Petrobras, Rio de Janeiro, BR
Erfinder MARTINS RIBEIRO, Alfonso, Geraldo, Rio de Janeiro, BR;
LOPES, Dironsir, Rio de Janeiro, BR;
DO VALE, Roberto, Osvalda, Rio de Janeiro, BR;
DE ALMIEDA FRAN A, Fernando, Campinas, BR;
SPAN Rosa, Eugênio, Campinas, BR;
GARGAGLIONE PRADO, Mauricio, Rio de Janeiro, BR
Vertreter Jung - Schirdewahn - Lemke, 80803 München
DE-Aktenzeichen 69808325
Vertragsstaaten DE, ES, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.06.1998
EP-Aktenzeichen 989291612
WO-Anmeldetag 25.06.1998
PCT-Aktenzeichen PCT/BR98/00044
WO-Veröffentlichungsnummer 0099010070
WO-Veröffentlichungsdatum 04.03.1999
EP-Offenlegungsdatum 26.07.2000
EP date of grant 25.09.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.05.2003
IPC-Hauptklasse B01D 19/00
IPC-Nebenklasse B01D 21/26   B04C 5/103   E21B 43/38   E21B 21/06   

Beschreibung[de]
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zur Verwendung in Prozessen zum Trennen von Mehrphasengemischen in üblichen industriellen Anwendungen auf Grundlage der Dichtedifferenz der Phasen, wobei sie insbesondere auf Gemische von Gasen in Flüssigkeiten anwendbar ist, wobei Zentrifugalkraft mit der Schwerkraft kombiniert wird. Insbesondere jedoch handelt es sich bei ihr um eine Anlage, die am wirksamsten bei der Petroleumproduktion eingesetzt werden kann, und die sowohl während der Produktion wie auch während Petroleum-Bohrloch- Bohrvorgängen angewendet werden kann, insbesondere im Fall von vor der Küste liegenden Petroleumvorkommen, die auf großen Tiefen liegen oder im Fall von Petroleumvorkommen an Land, jedoch in Randgebieten. Die Erfindung ist außerdem allgemein anwendbar auf die petrochemische Industrie bzw. die chemische Industrie.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Rohöl kommt in einem Gemisch mit Wasser und Gas natürlich vor. Ein Problem, das unmittelbar gelöst werden muss, wenn der Steigdruck niedrig ist, betrifft die Wahl der Art und Weise, in welcher es vom Bohrkopf zu dem Ort transportiert wird, wo das Petroleum einer anfänglichen Verarbeitung unterworfen wird. Der Grund hierfür ist, dass es durch natürliche Mehrphasenströmung mittels Mehrphasenpumpen (gemischt mit Gas) oder Pumpen von ausschließlich der flüssigen Komponente nach Abtrennung der Gasphase von dem Petroleum transportiert werden kann. Die Entscheidung zugunsten der vorstehend genannten Verfahren hängt, abgesehen von weiteren Faktoren, von den Eigenschaften des Vorkommens, den Eigenschaften der produzierten Fluide und Umweltbedingungen ab.

Eine der Aufgaben der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine wirksame Trennung des mit Petroleum gemischten Gases selbst im Seebett, innerhalb eines Dummy-Bohrlochs derart zu unterstützen, dass die Ausbeutung bestimmter Kohlenwasserstoffreserven im tiefen Meereswasser möglich ist.

Einer der prinzipiellen Vorteile der Trennung im Seebett in einem Dummy-Bohrloch betrifft die Verringerung des Strömungsdrucks des Petroleums am Boden des Bohrlochs, was eine ausgiebigere Gewinnung des Bohrlochs aus dem Vorkommen erlaubt. Die Erhöhung der Produktion ist zu beobachten, weil der Druck am Bohrlochkopf auf den Betriebsdruck des Abscheiders verringert wird, der deutlich geringer ist als der hydrostatische Druck durch die Wassertiefe oder der hydrostatische Druck einer Produktionsrohrleitung zu der vor der Küste liegenden Plattform. Die Abscheidung des Petroleumstroms, der vom Vorkommen herrührt, in zwei verschiedene Ströme, einen flüssigen Strom und einen Gasstrom, erlaubt es, Vorkommen unter Nutzung herkömmlicher Techniken auszubeuten, die in der Petroleumindustrie geläufig sind. Das Gas wird durch die Druckdifferenz zwischen dem Abscheider und dem Aufnahmebehälter zum Hochsteigen veranlasst, der auf der Plattform angeordnet ist, während der Flüssigkeitsstrom beispielsweise unter Verwendung von untergetauchten Zentrifugalpumpen (SCP) oder eine andere geeignete künstliche Hubtechnik gehoben werden kann.

Ein weiterer Vorteil des Einsatzes der Abscheidung im Seebett betrifft im Fall der Offshore bzw. küstenfernen Petroleumproduktion die Möglichkeit, Platz einzusparen und die Belastung des Plattformdecks zu verringern.

Ein noch weiterer signifikanter Vorteil dieses Abscheidungsprozesses in Verbindung mit natürlichem Vorkommen betrifft die Überwachung der Reserven, da, weil die Flüssigkeits- und Gasströme getrennt werden, diese problemloser gemessen werden können. Diese Tatsache ist prinzipiell dann von höchster Bedeutung, wenn die Schwierigkeiten in Betracht gezogen werden, die beim Messen eines Mehrphasenstroms auftreten. Die Überwachung der individuellen Flüssigkeits- und Gasproduktion erlaubt außerdem eine bessere Kontrolle bzw. Steuerung der Produktion am Petroleumvorkommen.

Eine weitere Anwendung der Erfindung während Petroleum- Bohrloch-Bohrvorgängen besteht in der Abscheidung bzw. Abtrennung von Gasen, die mit den Bohrflüssigkeiten gemischt sein können.

Die Erfindung kann auch in der Industrie außerhalb des Bereichs der Petroleumproduktion angewendet werden. In diesem Fall kommen Beschränkungen bezüglich der Baugröße im wesentlichen nicht zum Tragen.

STAND DER TECHNIK

Von den jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet ist das vielversprechende Konzept zu nennen, das als VASPS (Vertical Annular Separation and Pumping System) bekannt ist, und das es erlaubt, dass eine integrale untergetauchte Abscheider- /Pumpeneinheit in einem 0,75 m(30-Inch)-Rohr unter Verwendung herkömmlicher Unterwasserproduktionssysteme installiert werden kann. Dieses System erlaubt die Verwendung einer standardisierten Anlage für Auskleidungsbohrlöcher, Bohrlochköpfe und Führungsbasen und es nutzt eine untergetauchte Pumpe, die in der Auskleidung des Bohrlochs eingebettet ist, um die flüssige Phase über ein für diesen Zweck bestimmtes Rohr abzusaugen. Das Gas wird über ein weiteres Rohr abgetrennt bzw. abgeschieden und produziert, das auf Bohrlochkopfdruck gehalten wird. Dieses System ist im einzelnen im US-Patent 4 900 433 vom 13.02.1990, geeignet durch The British Petroleum Company, erläutert sowie in der Arbeit von J. Gregory mit dem Titel "VASPS (Vertical Annular Separation and Pumping System) Sends Subsea Separation on Downward Spiral to Success", veröffentlicht in Offshore Engineering, August 1989, Seiten 35 und 36.

Die VASPS-Konstruktion kombiniert das betriebsmäßige Merkmal einer Integration des Abscheiders mit der untergetauchten Pumpe unter Bildung einer kompakten Einheit, die außerdem die Möglichkeit bietet, den Produktionsstrom zu messen. Sie nutzt prinzipiell die Zentrifugalkraft, um die Flüssigkeit und das Gas zu trennen.

Labortests, die das vorstehend erläuterte System simulieren, haben eine Anzahl von Nachteilen und unzureichenden Aspekten aufgedeckt, die in Betracht gezogen werden müssen:

i) eine übermäßige Flüssigkeitsmenge (Öl gemischt mit Wasser) in der Gasleitung (LCO bzw. Liquid Carry Over), die die Gas- /Flüssigkeitstrenn- bzw. -abscheidefähigkeit der Anlage begrenzt und ihren betriebsmäßigen Einsatz beschränkt, Jegliche Unterbrechung in dem Mehrphasen-Gas-/Flüssigkeitsstrom in der den Abscheider speisenden Leitung veranlasst Flüssigkeit, zum Gasrohr mitgerissen zu werden;

ii) das betriebsmäßige Konzept der Konstruktion, das einen abnehmenden Flüssigkeits- und Gasstrom in der anfänglichen Stufe der Anlage (Abscheiderkopf) mit sich bringt. Dieser fallende Flüssigkeits- und Gasgemischstrom führt zu einem übermäßigen Druckverlust in der Strömung, was zu einer unnötigen Erhöhung des Bohrlochkopfdrucks mit dem Ergebnis einer geringeren Gesamtproduktion von Kohlenwasserstoffen aus dem Vorkommen führt.

Um die vorstehend angesprochenen Probleme zu überwinden, sieht die Erfindung, die Gegenstand der brasilianischen Anmeldung PI 9504350 (Improved Oil and Gas Separator bzw. verbesserter Öl- und Gasabscheider) ist, zum Einbau in die vorstehend genannte Einheit gemäß dem Stand der Technik ein zylindrisches Teil vor, das als Primärabscheider wirkt und den konischen Teil des Abscheiderkörpers ersetzt. Eine seitliche Öffnung für den tangentialen-Eintritt der erzeugten Fluide ist an einem Zwischenpunkt dieses zylindrischen Teils angeordnet. In dem oberen internen Teil weist der primäre Abscheider Öffnungen auf, die mit einem zentralen Längsrohr in Verbindung stehen, das die Gase zu dem Abscheiderauslassrohr leitet. Die Gastrennung bzw. -abscheidung findet mittels kombinierter Zentrifugal- und Gravitationskräfte statt.

Auf diese Weise wirkt der primäre Abscheider so, als ob eine Expansionskammer mit einem Zentrifugalabscheider integriert wäre, wodurch aufgrund der Edukationswirkung eine bessere Trennung der Phasen gefördert wird und wodurch ein Betrieb bei niedrigeren Drücken nahe zum Exportleitungsdruck möglich ist. Der primäre Abscheider weist eine kompakte rohrförmige Geometrie auf, die mit bekannten Offshore- bzw. küstenfernen Bohrtechniken kompatibel ist, einschließlich solchen, die für die Tiefsee geeignet sind.

Die US 4 481 020 offenbart eine Abscheidervorrichtung, in der das Öl-/Gasgemisch hinter einem spiralförmigen Flügel aufwärts strömt, der eine konstante und sich daran anschließend zunehmende Steigung aufweist. Diese zunehmende Steigung dient dazu, die Tangentialgeschwindigkeit der Flüssigkeit und des Gases zu vernichten, bevor das Gas abgezogen wird.

Die US 2 865 470 offenbart eine horizontal angeordneten Abscheiderkammer, in der ein Ölgasgemisch axial hinter einem spiralförmigen Führungsflügel eingespritzt wird. Die Vorrichtung gemäß dieser Druckschrift nutzt die Schwerkraft nicht zur Förderung der Abscheidung bzw. Trennung, und diese Druckschrift beschreibt kein primäres Hydrozyklon.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte Abscheidereinheit der Art, bereitzustellen, die aus folgendem besteht:

1) einem primären Abscheider, der durch ein zylindrisches Hydrozyklon mit Expansionskammer und tangentialem Eintritt an einem Zwischenpunkt gebildet ist;

2) einem sekundären Abscheider, der durch eine zylindrische Kammer gebildet ist, die zum Ausrichten der Strömung eine Spirale enthält; und einem tertiären Abscheider, der aus einem Vorratsbehälter oder Tank zur Gravitationsabscheidung besteht.

Es wurde während Experimenten mit einem derartigen Abscheider herausgefunden, dass die vorstehend erläuterte Konstruktion außerdem eine Anzahl von betriebsmäßigen Beschränkungen aufweist, insbesondere bezüglich höherer Strömungsraten, und zwar selbst innerhalb eines angestrebten Betriebsbands. Diese Nachteile manifestieren sich in Form der Ansammlung von Flüssigkeit auf dem oberen Teil der spiralförmigen Fläche und sie beeinträchtigen auch den unteren Teil der Expansionskammer. Dieser Effekt ist auf die plötzliche Verzögerung des Flüssigkeits-/Gasgemisches zurückzuführen, wenn dieses durch die Expansionskammer zu dem spiralförmigen Abscheider hindurchtritt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft grundsätzlich einen verbesserten Flüssigkeits-/Gasabscheider, in welchem der Flüssigkeitsstrom aus einem Mehrphasengemisch, beispielsweise Öl und Wasser, oder aus einem Einphasenstrom bestehen kann.

In der brasilianischen Anmeldung PI 90504350 ist der Einbau eines Zweiphasen-Vertikalabscheiders herkömmlicher Art vorgeschlagen, der interne Bestandteile aufweist, die über dem primären Abscheider der "VASPS"-Anlage zu liegen kommen. Dieser Einbau führt zu den folgenden Verbesserungen:

i) er erlaubt es, dass das Gas seiner natürlichen Strömung unter Förderung einer wirksameren Abscheidung bzw. Trennung in dem sekundären Abscheider folgt, wobei das Mitreißen von Flüssigkeit verringert ist;

ii) der Abscheider kann bei niedrigeren Drücken betrieben werden, was eine bessere Steuerung bzw. Kontrolle des Drucks im Vorratsbehälter erlaubt;

iii) das Gas wird durch kombinierte Zentrifugal- und Gravitationskräfte getrennt bzw. abgeschieden.

Die Art und Weise, in welcher das von der Expansionskammer kommende Fluid in die spiralförmige Fläche eintritt, führt jedoch zu einem schlagartigen Übergang unter Veranlassung einer Ansammlung von Fluid in dem Bereich, der für ein Übertragen (Carry-Over) der Flüssigkeit zu der Gasleitung Anlass gibt, insbesondere bei hohen Durchsätzen.

Die vorliegende Erfindung stellt deshalb einen im wesentlichen vertikal angeordneten spiralförmigen Abscheider bzw. Spiralabscheider zum Fördern der Abscheidung bzw. Trennung eines Flüssigkeits-/Gasgemisches in zwei voneinander deutlich getrennte Ein-Phasen-Ströme bereit, aufweisend: Eine Expansionskammer (I) und

einen sekundären Abscheider (III), der aus zumindest einem spiralförmigen Führungsflügel (14a) konstanter Steigung besteht, der benachbart zu seiner Unterseite Durchbrüche (17) aufweist, die den Hindurchtritt von Gas in ein Rohr (5) erlauben, das sich aus dem Abscheider heraus erstreckt, gekennzeichnet durch:

Einen Zwischenbereich (II), der aus zumindest einem spiralförmigen Führungsflügel (14a) mit variabler Steigung besteht, der zwischen der Expansionskammer (I) und dem sekundären Abscheider (III) zu liegen kommt, wobei die variable Steigung in Richtung des Flüssigkeits-/Gasstroms abnimmt.

Insbesondere schlägt die vorliegende Erfindung die Einführung eines Übergangsbereichs zwischen der Expansionskammer und dem Beginn der spiralförmigen Fläche vor. Dieser Übergangsabschnitt hat die Wirkung, dass er eine geringfügige Verzögerung des Gemisches aus Flüssigkeit und Gas hervorruft, das bereits durch die Expansionskammer verarbeitet wurde und sich zur spiralförmigen Oberfläche bewegt. Dieser Abschnitt besteht allgemein gesagt aus zwei Spiralen variabler Steigung, beginnend mit einem Winkel von 90º, parallel zur Strömungsrichtung am Ende der Expansionskammer. Nach ungefähr 1 l/2 Drehungen der spiralförmigen Flächen mit variabler Steigung, d. h., um ungefähr 540º, erreicht sie progressiv mit einer Schräge der Größenordnung von 18º die zweite Stufe des Abscheiders, die im wesentlichen aus einer weiteren spiralförmigen Fläche besteht, die eine konstante Steigung besitzt.

Eine zweite spiralförmige Fläche variabler Steigung in diesem Übergangsteil und außer Phase mit der ersten spiralförmigen Fläche unter einem Winkel von 180º verhindert die Ausbildung einer Kaskade auf die zweite Steigung der ersten spiralförmigen Fläche. Die erste, die spiralförmige Hauptfläche und die zweite, die zusätzliche Spiralfläche erstrecken sich entlang einem zentralen Längsrohr. Diese zweite spiralförmige Fläche kann nach Steigungsende, ausgehend von dem Punkt unterbrochen sein, wo keinerlei freier Fall des Fluids auf die zweite Steigung der spiralförmigen Hauptfläche vorliegt, oder sie kann fortgesetzt sein bis zum unteren Teil des Abscheiders und als Stromunterteiler wirken und die Gas-/Flüssigkeitstrennung bzw. Abscheidung verstärken.

Wenn die flüssige Phase von Feststoffen begleitet ist, was in der Petroleumindustrie häufig der Fall ist, kann dann, wenn die Flüssigkeit durch eine kleine Menge von Sand oder Kies begleitet ist, die Anlage trotzdem verwendet werden, weil Auslässe zur Entfernung der Feststoffe vorgesehen sind, die sich im unteren Teil der Anlage ansammeln können. Dies kann auch der Fall sein, wenn der Abscheider gemäß der Erfindung in Prozessen zum Trennen bzw. Abscheiden von Bohrfluiden und -gasen genutzt wird, wie etwa beispielsweise in den Fällen von nicht ausgeglichenem Bohren oder im Fall von leichten Fluiden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt schematisch den Gegenstand der brasilianischen Anmeldung PI 9504350 bildenden Spiralabscheider.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen verbesserten Spiralabscheiders.

Fig. 3 zeigt mehr im einzelnen eine Ansicht des Übergangsabschnitts, der in diesem Fall im wesentlichen aus zwei spiralförmigen Flächen mit variabler Steigung besteht, die zwischen den ersten beiden Stufen des erfindungsgemäßen Abscheiders zu liegen kommen.

Fig. 4 zeigt die Nomenklatur eines diskontuierlichen horizontalen Stroms.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Zur Förderung des Verständnisses der Erfindung wird diese unter Bezug auf die anliegenden Figuren erläutert. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Figuren lediglich eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen und diese deshalb natürlich nicht beschränken. Wenn das nachfolgend erläuterte erfindungsgemäße Konzept verfolgt wird, erschließt sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik, dass es für unterschiedliche Formate, Anordnungen oder komplementäre Vorrichtung eingesetzt werden kann. Es handelt sich hierbei um einen Aspekt, der vom Umfang der Erfindung umfasst ist.

Fig. 1 zeigt schematisch das Konzept, das in dem Abscheider gemäß der brasilianischen Anmeldung PI 9504350 verwendet wird, und das als Schritt vor der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann.

Der obere Abschnitt I stellt den primären Abscheider dar, der Zwischenabschnitt II stellt den sekundären Abscheider dar und der untere Abschnitt III stellt den tertiären Abscheider dar.

In dem primären Abscheider I wird das Gemisch aus Flüssigkeit und Gas, erzeugt in dem Petroleumbohrloch über ein Rohr 1 transportiert und in ein Hydrozyklon 2 eingespritzt, das mit einer Expansionskammer 3 verbunden ist. In dieser Stufe wird ein beträchtlicher Anteil des freien Gases, d. h. desjenigen Gases, das sich nicht in Lösung in der Flüssigkeit befindet, ausgehend von der Expansionskammer 3 mittels Öffnungen 4 im oberen Teil eines zentralen Längsrohrs 5 segregiert und extrahiert, welches die Expansionskammer 3 durchsetzt. Der Rest des freien Gases wird entweder von der Flüssigkeit getrennt und strömt in den zentralen Bereich des Hydrozyklons 2 und der Expansionskammer 3 oder er wird in dem Flüssigkeitsfilm 6 in Form von Blasen dispergiert.

Der Flüssigkeitsfilm 6 strömt mit dispergierten Gasblasen in der Spiralbahn abwärts, die durch die kombinierte Wirkung aus Zentrifugalkraft und Kombinationskraft in der Richtung des sekundären Abscheiders II hervorgerufen ist, die spiralförmige Oberfläche 7 hinunter. Über diese Bahn wirkt sich die Geometrie des Systems aus Hydrozyklon und Expansionskammer (2, 3) mehrfach signifikant aus; zu nennen sind:

i) Sie fördert eine Abtrennung bzw. Abscheidung des Gases von den Blasen, die in dem Flüssigkeitsfilm 6 dispergiert sind durch Einwirkung der Zentrifugalkraft;

ii) sie vergleichmäßigt den Flüssigkeitsfilm 6, der in dem Strömungsquerschnitt weiterhin restliche dispergierte Blasen enthält, um auf die spiralförmige Oberfläche 7 bzw. Fläche ein "sanftes" Zuströmen zu erzeugen; und

iii) sie verhindert die Abwärtsströmung von freiem Gas. Derjenige Abschnitt des Gases, der in dem Hydrozyklon 2 extrahiert wird, und der Flüssigkeit mit den dispergierten Gasbläschen strömt deshalb auf die spiralförmige Fläche 7 zu, bläschen strömt deshalb auf die spiralförmige Fläche 7 zu, die in dem sekundären Abscheider II gebildet ist, und beschreibt geführt durch die Spirale eine abwärts verlaufende spiralförmige Bahn. Die Zusammensetzung der Zentrifugal- und Gravitationskräfte neigt dazu, eine Anordnung von Phasen des in Fig. 1 erläuterten Typs zu erzeugen, d. h. ein Schichtmuster. Die geschichtete Gasphase, die leichter ist, nimmt den oberen inneren Abschnitt des Querschnitts ein.

Ein Satz von Öffnungen. 8, die gleichmäßig in dem zentralen Längsrohr 6 angeordnet sind, entlang der Vertikalachse des Abscheiders, um die sich die spiralförmige Oberfläche 7 entwickelt, fängt das abgeschiedene bzw. abgetrennte Gas ein. Diese Öffnungen 8 dienen lediglich zur Extraktion des Gases, weshalb sie unmittelbar unter der Unterseite von jeder spiralförmigen Fläche zu liegen kommen. Das Gas, welches noch nicht abgeschieden bzw. abgetrennt wurde, setzt in der Form dispergierter Blasen seine abwärts verlaufende Bahn mit dem Flüssigkeitsfilm in Richtung des Tanks 9 fort, wie nachfolgende erläutert. Aufgrund der Einwirkung der Zentrifugal- und Gravitationskräfte wandern diese Blasen zu der Flüssigkeits- /Gasgemisch-Grenzfläche, wodurch das Öl zunehmend "ärmer" im Hinblick auf dispergiertes Gas wird. Die spiralförmige Fläche 7 hat deshalb folgende Funktion:

i) Sie ermöglicht es, dass das in dem Hydrozyklon nicht extrahierte freie Gas entfernt wird; und

ii) sie führt zu einer Erhöhung der Aufenthaltszeit des Gemisches, d. h., der Flüssigkeit plus dispergierter Blasen, die den Flüssigkeitsfilm bilden, um die Wanderung der Blasen zur Grenzfläche zu ermöglichen und daraufhin zur Abtrennung bzw. Abscheidung der Phasen.

Am unteren Ende der spiralförmigen Fläche 7 erreicht der Flüssigkeitsfilm den tertiären Abscheider III, d. h., einen Graviationstrenn- bzw. -abscheidertank 9. Im Eintrittsbereich des Tanks wird ein beliebiges Gasvolumen, das in den vorausgehenden Stufen noch nicht abgetrennt bzw. abgeschieden wurde, in Form von in der Flüssigkeit dispergierten Blasen in ein Gasvolumen eingebaut, das der Flüssigkeit zugesetzt wird, durch den Stoß des Flüssigkeitsfilms im Tank 9. Dieser Prozess ist als "erneutes Mischen" bekannt.

Der tertiäre Abscheider III besteht deshalb aus einem Flüssigkeitsvorratsbehälter 9, der das letzte Hindernis für den Durchgang der Blasen zur Ansaugung durch die Pumpe 10 bildet, die stromabwärts von diesem Strom vorgesehen ist, oder aus einer weiteren Form von Flüssigkeitsabscheidung. Dieser tertiäre Abscheider 3 wirkt als herkömmlicher Gravitationsabscheider für die Blasen, die in der Flüssigkeit dispergiert sind, und die aus dem Strom stromaufwärts nicht abgeschieden bzw. getrennt wurden, und für Blasen, die in die Flüssigkeit eingeführt wurden durch den Stoß des Flüssigkeitsfilms 6 im Tank 9. Die Segregation der Flüssigkeit und des Gases findet statt in diesem tertiären Abscheider III, und zwar ausschließlich durch Einwirkung von Gravitationskraft.

Nach diesem Lauf durch die verschiedenen Abscheider- den primären I, den sekundären II und den tertiären III - strömen die Flüssigkeits- und Gasströme über die jeweiligen zentralen Rohre; das zentrale, am weitesten innenliegende Rohr 11 transportiert die Flüssigkeit mithilfe einer untertauchbaren Pumpe 10, die in dem Tank 9 eingebettet ist, oder durch die Einwirkung des Drucks, der in dem Abscheider herrscht. Dieses abgeschiedene Gas strömt durch den Ringrahmen 12 zwischen den beiden konzentrischen zentralen Rohren 5, 11.

Wie bereits vorstehend angesprochen, unterliegt in dem vorstehend erläuterten Abscheider die Formeinspritzung des Fluids auf die spiralförmige Fläche, das von der Einheit aus Hydrozyklon und Expansionskammer 2, 3 herrührt, einem schlagartigen Übergang, was zu einer Ansammlung von Fluid im unteren Teil der Expansionskammer 3 führt. Um diesen Nachteil zu überwinden, schlägt die vorliegende Erfindung eine Modifikation der internen Bestandteil dieses Abscheiders vor.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Konstruktion wird eine Übergangszone zwischen den Bereichen I und II von Fig. 1 eingeführt. Diese weist eine segmentierte bzw. in Segmente unterteilte spiralförmige Oberfläche bzw. Fläche mit einem anfänglichen Abschnitt auf, der einen variablen Spiralwinkel besitzt, ausgehend von einem Angriffswinkel von 90º und progressiv abnehmend auf denjenigen Wert, der für den letzten Abschnitt der spiralförmigen Oberfläche mit konstanter Steigung gewählt ist.

Fig. 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und Fig. 3 zeigt im einzelnen den Übergangsabschnitt II des Beginns der spiralförmigen Oberfläche zur spiralförmigen Oberfläche III, die sich entlang dem im Zentrum angeordneten Längsrohr 5 erstreckt, wodurch wiederum ein zentrales Rohr 11 eingeschlossen wird, das zum Austragen der Flüssigkeitsphase bestimmt ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, strömt die Gasphase durch den Ringraum 12 zwischen den beiden Rohren 5, 11, wie vorstehend angeführt.

Der verbesserte Spiralabscheider besteht im wesentlichen aus den folgenden prinzipiellen Teilen: der Expansionskammer I, dem Übergangsbereich II, der spiralförmigen Fläche III und dem Tank IV. Durch den Abscheider verlaufen über seine gesamte Länge zwei im Zentrum liegende Längsrohre 5, 11, wobei das Rohr 5 einen größeren Durchmesser aufweist und das Rohr kleineren Durchmessers einschließt, das verwendet wird, um das Gas zu sammeln und auszutragen. Der untere Teil des Abscheiders enthält eine Zentrifugalpumpe 18. Das zentrale Längsrohr 11 kleineren Durchmessers wird für den Zwangsaustrag der abgetrennten bzw. abgeschiedenen Flüssigkeitsphase genutzt.

Die Expansionskammer I bzw. der primäre Abscheider enthält an einem Zwischenpunkt die Einspritzdüse 13 für das Gemisch, und im oberen Teil sind Öffnungen 15 für den Hindurchtritt des abgeschiedenen bzw. abgetrennten Gases zu dem Ringraum 12 zwischen den beiden im Zentrum vorliegenden Rohren 5, 11 vorgesehen. Aus Fig. 2 geht außerdem hervor, dass das Gas seinen Bewegungsverlauf durch den Ringraum fortsetzt und durch die Oberseite 16 des Separators ausgetragen wird.

Der Übergangsbereich II kommt unter der Expansionskammer I zu liegen. Dieser Bereich besteht im wesentlichen aus zwei Spiralen variabler Steigung, der Hauptspirale 14a und der Zusatzspiral 14b, die um 180º außer Phase sind. Die Zusatzspirale 14b, die kürzer ist, bildet die Verbindung in dem anfänglichen vertikalen Abschnitt und aufgrund ihrer Versetzung verhindert sie die Bildung einer Kaskade in dem leeren Raum, entsprechend der ersten Steigung der Spirale und wirkt als Puffer, um ein Fluten der Kammer zu verhindern. Diese zweite spiralförmige Fläche kann in der zweiten Steigung an dem Punkt unterbrochen sein, wo kein freier Fall des Fluids mehr auf die zweite Steigung der Hauptspirale vorliegt, oder sie kann bis zum unteren Teil des Abscheiders fortgesetzt sein und wirkt als Strömungsteiler sowie zur Verbesserung der Gas- /Flüssigkeitstrennung bzw. -abscheidung.

Auf den Übergangsbereich II folgt eine spiralförmige Fläche III konstanter Steigung, die in dem sogenannten sekundären Abscheider gebildet ist. Unter der spiralförmigen Fläche befinden sich Durchbrüche 17 in dem zentralen Längsrohr 5 größeren Durchmessers zum Austrag des abgeschiedenen bzw. abgetrennten Gases. Diese spiralförmige Oberfläche III erstreckt sich bis zum unteren Teil des Abscheiders.

Der untere Teil des Abscheiders ist im wesentlichen durch den "Tank" gebildet und ist in dem tertiären Abscheider IV gebildet. Ein Volumen des Gemisches sammelt sich in dem Tank an, und enthält in dieser Prozessstufe lediglich einen geringen Prozentsatz des Restgases, das unter Schwerkraft abgetrennt bzw. abgeschieden wird. Im unteren Teil des Tanks befinden sich Durchbrüche 19 in dem zentralen Rohr für den Durchlass der Flüssigkeitsphase zur Innenseite des im Zentrum liegenden Längsrohrs 5 größeren Durchmessers, wo die Zentrifugalpumpe 18 angeordnet ist. Die Flüssigkeitsphase erreicht eine geeignete Höhe, die durch Betriebsbedingungen festgelegt ist, um die Pumpe 18 vollständig abzudecken bzw. unterzutauchen.

Die Grundidee bei der Konstruktion der Spirale mit einem anfänglichen Abschnitt variabler Neigung ist, dass ein Übergang erreicht werden soll, der so "sanft" wie möglich verläuft, ausgehend vom Strom in der Expansionskammer I zum Strom auf die spiralförmige Fläche III. In Übereinstimmung mit der bisherigen Konstruktion weist der Zweiphasenstrom unter Belassung der Düse eine Geschwindigkeit auf, in der die tangentiale Komponente vorherrscht. Er wird jedoch gleichzeitig axial unter Schwerkraft beschleunigt. Während des Strömens erstreckt er sich als Film über der Wand der Expansionskammer in einer Schrägrichtung und wird allmählich langsamer in der tangentialen Richtung durch Viskositätseinwirkung. Die Richtung des Stroms bzw. der Strömung, wenn er bzw. sie die spiralförmige Fläche erreicht, wird abhängig von den Betriesbedingungen, der Geometrie, der Expansionskammer und den Eigenschaften des Fluids auch durch die axiale Distanz festgelegt, gemessen ausgehend von der Einspritzdüse in Richtung der spiralförmigen Fläche. Die günstigste Situation unter der Annahme einer Minimierung von "Störungen" des Stroms am Eintritt auf die spiralförmige Fläche wird offensichtlich dann erhalten, wenn die Strömungsrichtung mit der Neigung der Spirale übereinstimmt. Ein ähnliches Kriterium trifft auf die Konstruktion von Strömungsmaschinen zu, in welchen erwünscht ist, "Stoßverluste" so klein wie möglich zu halten, die am Eintritt zum Anlagenrotor auftreten.

Der Strömungswinkel des Films in axialen Positionen unterhalb der Düse hängt von den Betriebsbedingungen des Abscheiders ab. Wenn die axiale Distanz klein ist, und wenn die Expansionskammer kurz ist, sind der Strömungswinkel und der Winkel der Spirale lediglich für eine bestimmte Betriebsbedingung geeignet. Die Distanz kann jedoch der Art sei, dass für ein Betriebsband des Abscheiders im Hinblick auf den Gas- und Flüssigkeitsdurchsatz die Strömung des Films lediglich eine axiale Komponente aufweist, nach einer Gesamtverzögerung bzw. -beseitigung der tangentialen Komponente. Der Angriffswinkel der Spirale am Beginn der spiralförmigen Fläche muss in diesem deshalb 90º betragen.

Für einen Angriffswinkel von 90º am Beginn der spiralförmigen Fläche muss deshalb, kurz gesagt, die Länge des unteren Teils der Expansionskammer (unterhalb der Düse) derart gewählt sein, dass der Flüssigkeitsfilm, der gegen die Wand strömt, keinerlei tangentiale Geschwindigkeitskomponente mehr aufweist. Da der Strom moduliert werden kann und die Möglichkeit besteht, dieses Modell zu testen und einzustellen, unter Verwendung der experimentellen Daten, kann außerdem die Länge des unteren Teils der Expansionskammer ausgehend von der Düse bis zum Beginn der Spirale berechnet werden unter Verwendung von rationalen Modellen und Kriterien. Durch Einstellen des Angriffswinkels der Spirale auf 90º wird deshalb eine weitere Konstruktionsvariable des Spiralabscheiders auf Grundlage eines rationalen Kriteriums eingeführt, d. h. die Länge der Expansionskammer ausgehend von der Öffnung zum Einspritzen des Gemisches bis zur Spirale.

Fig. 3 zeigt die Konfiguration einer spiralförmigen Oberfläche mit zwei Spiralen mit variablen Neigungswinkeln von 90º bis etwa 18º, resultierend aus einer Untersuchung, die für eine spezielle Situation ausgeführt wurde. Der kürzere Kanal erstreckt sich in diesem Fall bis zu einer Winkelposition von 360º, wenn seine Neigung (Angriffswinkel) in etwa 32,6º beträgt. Der Längskanal erreicht in der Winkelposition von ungefähr 540º ausgehend von seinem Beginn die Neigung von 18º, angewendet auf den folgenden Abschnitt, bestehend aus der spiralförmigen Fläche konstanter Steigung. Die spiralförmige Doppelzustromfläche erzeugt weniger "Störung" im Strom im Vergleich zu einer spiralförmigen Fläche mit einem einzigen Zustrom.

Mittels Tests wurde ermittelt, dass die Kombination aus Doppelzustromspirale variabler Steigung im Entwicklungsabschnitt (Zwischenbereich der Anlage zwischen der Expansionskammer I und dem Spiralabscheider III mit feststehender Steigung) und mit größerer Neigung des Spiralkanals (größere Steigung im Abschnitt mit konstanter Steigung der spiralförmigen Oberfläche) in einer Anlage resultiert, deren betriebsmäßige Grenze bzw. Einsatzgrenze deutlich diejenige der Anlage übersteigt, die Gegenstand der vorstehend angesprochenen brasilianischen Anmeldung PI 9504350-0 ist. Experimentell wurde ermittelt, dass für Strömungsraten, die ungefähr 30% größer sind als diejenigen, die durch Drosseln im Übergangsbereich und Stören des Kanals in dem bisherigen Modell hervorgerufen sind, in diesem verbesserten Modell gemäß dieser Version der Anlage der Strom verarbeitet wurde, ohne dass in irgendeinem Abschnitt des Kanals eine Störung auftritt.

Der erfindungsgemäße Abscheider kann in Fällen eingesetzt werden, in denen der Strömungsbereich des zuströmenden Mehrphasengemisches diskontinuierlich verläuft (zäher Strom). In diesem Fall ist dieser Strom bzw. diese Strömung dadurch gekennzeichnet, dass sie den maximalen momentanen Durchsatz des Flüssigkeits-/Gasgemisches am Eintritt zum Abscheider erhält, was eine der Konstruktionsbedingungen darstellt.

Fig. 4 zeigt schematisch einen horizontalen diskontinuierlichen Strom und die verwendete Nomenklatur: Länge der Einheit 20, Flüssigkeitskolben 21, Flüssigkeitsfilm 22 und Gasblasen 23.

Das Auftreten eines diskontinuierlichen Stroms gibt Anlass für eine Schwankung des Durchsatzes zwischen einem Maximalwert und einem zugeordneten Minimalwert, wobei der durch den Kolben erzeugte Flüssigkeitsdurchsatz und derjenige, der durch den Flüssigkeitsfilm erzeugt wird, der Gasblase folgt. Für eine genaue Bemessung der Kapazität des Abscheiders ist es deshalb erforderlich, den maximalen Durchsatz als Konstruktionsbedingung heranzuziehen.

Das Bemessen der Spirale für den Fall eines Durchsatzes, der geringer als der maximale Durchsatz ist, und das nachfolgende Auftreten einer übermäßigen Flüssigkeitshöhe bzw. eines übermäßigen Flüssigkeitsstands in der Expansionskammer, resultierend aus dem "Dämpfen" der Flüssigkeit im Übergangsbereich zu der Spirale, kann Anlass für eine Flüssigkeitsübertragung zu der Gasleitung geben. Dieses Phänomen steht im engen Zusammenhang mit der Charakteristik der zähen Strömung, die unter bestimmten Betriebsbedingungen am Eintritt zum Abscheider auftreten kann.

Obwohl vorliegend ein Spiralzwischenbereich variabler Steigung, versehen mit zwei Spiralbeginnstellen erläutert ist, kann dieser Bereich mit einer größeren Anzahl von gleichmäßig beabstandeten Spiralbeginnstellen versehen sein. Obwohl vorliegend eine Zusatzspirale erläutert ist, die sich ausschließlich bis zum Beginn des zweiten Abscheiders erstreckt, kann sie sich über diesen Punkt hinaus erstrecken und den unteren Teil der Anlage erreichen. Dies kann dann der Fall sein, wenn mehr als eine Zusatzspirale vorgesehen ist. In diesem Fall arbeitet die Anlage so, als ob eine Anzahl von parallel betriebenen Abscheidern vorhanden wäre.

Obwohl eine Ausführungsform der Erfindung erläutert wurde, die speziell in Bohrlöchern anwendbar ist, ist sie allgemein industriell anwendbar. In diesem Fall sind die Abmessungsbeschränkungen beträchtlich gelockert.


Anspruch[de]

1. Im wesentlichen vertikal angeordneter Spiralabscheider zum Fördern des Trennens eines Gemisches aus einer Flüssigkeit und einem Gas in zwei voneinander deutlich getrennte Ein-Phasen-Ströme, aufweisend:

Eine Expansionskammer (I) und

einen sekundären Abscheider (III), der aus zumindest einem spiralförmigen Führungsflügel (14a) konstanter Steigung besteht, der benachbart zu seiner Unterseite Durchbrüche (17) aufweist, die den Hindurchtritt von Gas in ein Rohr (5) erlauben, das sich aus dem Abscheider heraus erstreckt, gekennzeichnet durch:

Einen Zwischenbereich (II), der aus zumindest einem spiralförmigen Führungsflügel (14a) mit variabler Steigung besteht, der zwischen der Expansionskammer (I) und dem sekundären Abscheider (III) zu liegen kommt, wobei die variable Steigung in Richtung des Flüssigkeits-/Gasstroms abnimmt.

2. Spiralabscheider nach Anspruch 1, wobei die Spirale (14a) konstanter Steigung des sekundären Abscheiders eine Fortsetzung der Spirale (14a) variabler Steigung des Zwischenbereichs (II) darstellt.

3. Spiralabscheider nach Anspruch 1, wobei der Zwischenbereich (II) zwei oder mehr variable spiralförmige Führungsflügel (14a; 14b) variabler Steigung aufweist, wobei die Flügel aus einer Hauptspirale (14a), die sich bis zur Spirale des sekundären Abscheiders konstanter Steigung erstreckt und eine Fortsetzung derselben darstellt, und zumindest einer Zusatzspirale (14b) besteht, die am Ende des Zwischenbereichs unterbrochen ist, und wobei jede Spirale um den Umfang der Anlage beabstandet ist.

4. Spiralabscheider nach Anspruch 3, wobei eine Zusatzspirale (14b) vorgesehen ist, die um 180º außer Phase zu der Hauptspirale (14a) vorliegt.

5. Spiralabscheider nach Anspruch 2, wobei der Zwischenbereich mehrere Spiralen aufweist, die um den Umfang der Anlage beabstandet sind, und wobei einige oder sämtliche sich bis zum unteren Bereich der Anlage erstrecken.

6. Spiralabscheider nach Anspruch 2, außerdem aufweisend zwei längliche konzentrische zentrale Rohre (5, 11), wobei die Durchbrüche (17) den Hindurchtritt von Gas von dem sekundären Abscheider in den Ringraum zwischen den zwei konzentrischen Längsrohre (5, 11) erlauben.

7. Spiralabscheider nach Anspruch 6, außerdem aufweisend einen tertiären Abscheider (IV), der aus einem Flüssigkeitsvorratsbehälter besteht, der durch den unteren Teil der Anlage gebildet ist, wobei der Vorratsbehälter eine variable Höhe in Übereinstimmung mit den Betriebsbedingungen aufweist, und wobei das Längsrohr (5) größeren Durchmessers in Kontakt mit der unteren Basis der Anlage steht und in seinem unteren Abschnitt Queröffnungen (19) aufweist, die das Zuströmen von Flüssigkeit ins Innere erlauben, bis die Flüssigkeit eine Pumpe (18) erreicht, die in dem Längsrohr (5) größeren Durchmessers angeordnet ist, wobei das zentrale Längsrohr (11) kleineren Durchmessers dazu genutzt werden kann, die Strömung der angetriebenen flüssigen Phase zu führen.

8. Spiralabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abscheider in einem länglichen zylindrischen Behälter angebracht ist, der in ein Bohrloch eingesetzt werden kann.

9. Spiralabscheider nach Anspruch 8, wobei die Expansionskammer (I) einen Ringbereich zwischen der Innenseite des oberen Abschnitts des zylindrischen Behälters in der Anlage und der zylindrischen Außenseite des Längsrohrs (5) einnimmt, und der an einem Zwischenpunkt auf seinem Außenumfang einen Einlass (13) aufweist, in den das Flüssigkeits-/Gäsgemisch als Tangentialstrom zuströmt.

10. Spiralabscheider nach Anspruch 9, außerdem aufweisend Durchbrüche (15) in dem Längsrohr (5) für den Hindurchtritt von Gas, das in der Expansionskammer abgetrennt wurde, von der Expansionskammer 2u dem Ringraum zwischen den zwei konzentrischen Längsrohren (5, 11).

11. Spiralabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Flüssigkeits-/Gasgemisch Petroleum umfasst, einschließlich Zwei-Phasen-Öl-/Wassergemische und Gas.

12. Spiralabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Entmischung von Flüssigkeit und Gas erzielt wird mittels einer Kombination aus Zentrifugal- und Gravitationskräften.

13. Spiralabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Abscheider zum Abtrennen der Gase in Bohrflüssigkeiten verwendet wird, in nicht ausgeglichenen Bohrprozessen oder im Zusammenhang mit leichten Flüssigkeiten, in Petroleum- Bohrlöchern, und wobei Mittel vorgesehen sind, um die festen Segmente abzuziehen, die sich im unteren Teil der Anlage ansammeln.

14. Spiralabscheider nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Flüssigkeits-/Gasgemisch Petroleum umfasst, einschließlich Zwei-Phasen-Öl-/Wassergemische und Gas, wobei der Abscheider in einem länglichen zylindrischen Behälter angebracht ist, der in ein Bohrloch eingesetzt werden kann.







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