Расчет отстойной аппаратуры

Технологический расчет отстойной аппаратуры заключается в определении пропускной способности отстойника или его размеров.

Если скорость слияния капель воды с водной подушкой (слоем воды) в отстойнике меньше скорости накопления частиц на водонефтяном разделе, то между нефтью и водной подушкой образуется переходной слой, толщина которого уменьшается к выходу от отстойника.

Обводненность нефти на выходе из отстойника определяют по содержанию мелких капель воды, время осаждения которых больше времени осевого перемещения разделяемой эмульсии в отстойнике. Скорость движения эмульсии вдоль отстойника от входа до выхода непрерывно уменьшается от значения на входе.

.

.

где — количество жидкости (эмульсии), непрерывно поступающее в отстойник для разделения за единицу времени;

— площадь поперечного сечения, занятая слоем нефти (эмульсии) на входе в отстойник;

— количество эмульсии с остаточным содержанием воды, непрерывно вытекающее из отстойника в единицу времени.

За время прохождения эмульсии от входа до выхода из отстойника концентрация дисперсной фазы в эмульсии изменяется. В верхней части отстойника она уменьшается по сравнению с первоначальной концентрацией. Следовательно, вязкость эмульсии по высоте в отстойнике переменна, причем в верхней части отстойника она уменьшается вдоль горизонтальной оси от входа до выхода. По вертикали в каждом сечении отстойника вязкость эмульсии возрастает от минимальной у верхней образующей отстойника до максимальной на границе с водной подушкой.

Принимая время осаждения максимальных капель воды, выносящихся потоком нефти, равным времени движения эмульсии вдоль зоны отстоя, получаем возможность рассчитать пропускную способность отстойника.

.

где R — радиус отстойника;

h — высота слоя воды в отстойнике;

— средняя скорость движения эмульсии;

— скорость осаждения капель воды диаметром в эмульсии из которой выносятся потоком нефти все отставшие капли меньшего размера;

— часть длины отстойника от сечения, где начинается гравитационное разделение эмульсии (ввод), до сечения, где оно прекращается (выход).

Из (3.55) следует.

.

Пропускная способность отстойника из (3.54) определяется как.

.

Так как средняя скорость движения эмульсии в отстойнике может быть принята как средняя арифметическая на выходе, то.

.

.

или, с учетом,.

.

Таким образом, пропускная способность в отстойнике будет.

.

Из материального баланса работы отстойника, пренебрегая захватом нефти дренажной водой, можно показать, что.

.

Следовательно, из (3.59), с учетом (3.60), после преобразований имеем.

.

Подставляя (3.58) в (3.61), получим.

Так как скорость стесненного осаждения капель равна.

.

для свободного при Re<2 соответственно.

.

а пропускная способность отстойника будет.

.

где F (B, Bвых) — функция обводненности на входе и выходе из отстойника,.

.

где , — плотность воды и нефти в отстойнике соответственно, кг/м3;

— длина зоны отстоя, м;

h — максимальная высота водной подушки в отстойнике в зоне отстоя, м;

— вязкость нефти в отстойнике, Па•с;

— максимальный диаметр капель воды, которые вместе с каплями меньшего размера могут выноситься из отстойника потоком нефти, м;

В, Ввых — обводненность эмульсии на входе в зону отстоя и выходе из нее;

— максимальный размер капель воды в эмульсии на выходе в зону отстоя, м.

Из (3.44) следует, что.

.

.

где — максимальный диаметр капель, выносимый из отстойника с потоком нефти.

Связь между и максимальным диаметром капли, выносимым из отстойника можно установить следующим образом.

Перед выходом нефти из отстойника в зоне отстоя в дренаж уходит последняя капля, которая являлась для остающихся капель максимальной, поэтому обводненность слоя эмульсии с каплями может быть представлена в виде.

.

Представим (3.63) в виде.

.

.

Необходимо отметить, что доля воды в потоке нефти на выходе из отстойника является функцией высоты водяной подушки, пропускной способности отстойника и его конструктивных параметров. Поэтому расчет пропускной способности отстойника по (3.68) достаточно приближенный.

Пример 3.8. В продукцию скважин на групповом сборном пункте вводят ПАВ-деэмульгатор и насосом откачки его подают на дожимную насосную станцию, оборудованную двумя буферными емкостями диаметром по 2 м и объемом 115 м³ с отводами для предварительного сброса воды. Нагрузка на каждую буферную емкость колеблется от 2000 м3/сут с обводненностью 37,7% до 1500 м3/сут с обводненностью 36,6%. Высоту водяной подушки в емкостях поддерживают на постоянном уровне — 60 см.

Оценить содержание воды в нефти на выходе из буферных емкостей, если вязкость нефти — 5 мПа•с, плотность нефти — 860 кг/м3, а воды — соответственно 1050 кг/м3.

Решение. Зная объем буферной емкости, находят его длину.

.

Так как длина зоны отстоя меньше емкости на суммарную длину секций ввода и вывода эмульсии, принимают длину зоны отстоя .

Время задержки эмульсии в емкости определяют длиной зоны и скоростью ее движения в емкости:

.

где — площадь поперечного сечения в емкости, занятая нефтью, м2;

— нагрузка на емкость по жидкости, м3/с. Так как высота слоя воды в емкости, то, следовательно,.

.

Зная нагрузку на первую емкость по жидкости 2000 м3/сут., находят время задержки эмульсии в ней.

.

Очевидно, что время оседания капель воды в буферной емкости равно времени задержки эмульсии в ней, т. е.. С другой стороны, время оседания капель воды в эмульсии в емкости равно.

.

где — скорость стесненного оседания капли эмульсии размером, м/с.

Откуда можно найти скорость :

.

Из (3.44) можно выразить через :

.

Как следует из условий задачи, в продукцию скважины на групповом сборном пункте попадают ПАВ и затем ее перекачивают насосом откачки до дожимаемой насосной станции. Промысловый трубопровод от группового сборного пункта до ДНС можно рассматривать как своеобразный каплеобразователь — укрупнитель [15, 17] и принять, поэтому, максимальный размер капель в эмульсии на входе в буферную емкость в диапазоне .

Таким образом, можно записать следующее равенство:

.

Результаты решения равенства (3.70) приведены в Прил. 28, из данных которого следует, что, подставляя числовое значение известных величин, входящих в это равенство, при =325 мкм получим.

.

в котором содержится только одно неизвестное — остаточная обводненность нефти после осаждения капель размером больше .

В зависимости от величины в эмульсии, входящей в отстойник, на выходе из отстойника получают нефть с различным содержанием воды: при обводненность нефти на выходе из отстойника меньше 12,5%, а при выходная обводненность продукции меньше 8%.

Таким образом, для оценки содержания воды в эмульсии на выходе из отстойника необходимо знать максимальный диаметр капель в эмульсии на входе в зону гравитационного отстоя.

В Прил. 29 — множители и приставки в системе СИ для образования десятичных кратных и дольных единиц.

В Прил. 30 даны некоторые соотношения между единицами однородных физических величин [18].

В Прил. 31 — перевод внесистемных единиц в единицы СИ [4].