專利名稱：靜電聚結(jié)器裝置及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用電供能的裝置，它是用于分離乳化在第二種流體中的第一種導(dǎo)電的流體。本發(fā)明主要應(yīng)用在石油工業(yè)。它在離岸的應(yīng)用中特別有利，在那里安排設(shè)備的目的是為促進(jìn)和實(shí)現(xiàn)水從油中預(yù)分離，或使水的微滴增大，這預(yù)分離是在將提取的含有油和水的乳狀液傳送到后續(xù)的沉降罐作重力沉降之前進(jìn)行的。
背景技術(shù)：
產(chǎn)自地下巖層的流體通常是水、油和氣的三相混合物，其中至少有一些水是乳化在油中的。這種流體的混合物常常要在井口的下游分相，以便可傳送到為了進(jìn)一步分配的輸油管。為實(shí)現(xiàn)這種分離的一個(gè)可行的方法是用一種三步的工藝，其中兩步是重力分離罐，接著是包含靜電聚結(jié)器的最后的分離罐。重力分離器在入口處通常有一個(gè)流動(dòng)矯正器。這個(gè)流動(dòng)矯正器的目的是雙重的；其一是調(diào)整經(jīng)過罐截面的流動(dòng)狀態(tài)，其二是在重力分離之前影響水微滴的機(jī)械聚結(jié)，以增加分離過程的效率。
這個(gè)多步驟工藝的問題在于分離最有效是在第一步，在這步大部分的水被分掉了。在最后一步水的比例是相對(duì)低的，這就意味著靜電聚結(jié)器必須引入在這個(gè)重力分離罐中。
然而，效率還是低的，這就是說流體不得不在分離罐中滯留很長(zhǎng)的時(shí)間，以使其分相。這樣，罐必須很大，例如大約直徑4米，長(zhǎng)20米。使用這樣尺寸的罐在生產(chǎn)場(chǎng)所是很不方便的，特別是離岸的生產(chǎn)地，那里可利用的空間是有限的。
現(xiàn)有技術(shù)在US 4,469,582中敘述了一種以電力增強(qiáng)的斜板分離器，它裝在一個(gè)下游的小室里，這個(gè)小室與電力系統(tǒng)相連而產(chǎn)生電場(chǎng)，在分離器的通路中，將極性的流體(水)從非極性的流體(油)中聚結(jié)并分離。這種分離器一般是由一排平面狀或波紋狀的極板(電極)組成，被處理的混合液通過這些極板。每塊極板是由兩部分做成的。第一部分是用導(dǎo)電材料制的。在下游，第二部分是由絕緣材料制的。
在US 4,919,777中敘述了一種將鹽水從油中用靜電/機(jī)械分離的處理器，分離是在液體縱向流過在水平方向加長(zhǎng)的罐時(shí)進(jìn)行的，在罐中裝有聚結(jié)器的基元以增強(qiáng)破乳化的作用。乳狀液流過電場(chǎng)的方向，鹽水的微滴帶了電荷，然后又通過接地線的聚結(jié)器的基元，后者包含了許多以束狀排列縱向延伸并向下傾斜的開口的管子。
公開于US 4,469,582和4,919,777中的分離器的缺點(diǎn)是兩者都采用了裸露電極。有與流體接觸的裸露電極的聚結(jié)器是經(jīng)不住有大量水的情況的。鹽水是導(dǎo)電的，它將使電極短路，致使電力系統(tǒng)不起作用。一般認(rèn)為用裸露電極時(shí)，水的含量10％是極限。而且，這樣的裸露電極易遭受乳狀液的腐蝕。因此，這些僅能用于后面的一連串的沉降罐中，在那里水的含量已降至低于10％的極限了。
發(fā)明簡(jiǎn)述本發(fā)明的一個(gè)目的是在一個(gè)分離容器中，例如在重力分離罐中，提供一種裝置，它增強(qiáng)在流體混合物中各相的分離作用，同時(shí)保證在分離器中適當(dāng)?shù)幕钊降牧鲃?dòng)。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種裝置，它能有效地聚結(jié)在乳狀液中的導(dǎo)電流體，例如在水-油乳狀液中的水。
本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供一種裝置，它能為分離容器的總尺寸的減小做出貢獻(xiàn)，和/或最終能夠減少在多步工藝中容器的數(shù)目。
本發(fā)明還有的目的是提供一種裝置，它可以容易地安裝在現(xiàn)存的重力分離器中，也即通過人孔(檢修孔)。
在所附的專利權(quán)利要求中所公開的裝置和使用該裝置的排列實(shí)現(xiàn)了這些目的。
實(shí)質(zhì)上，本發(fā)明是由流動(dòng)矯正器和許多聚結(jié)器基元的結(jié)合而組成的。換一句話說，本發(fā)明包括許多聚結(jié)器基元，它們同時(shí)又用作流動(dòng)矯正器。
附圖簡(jiǎn)述現(xiàn)在將以附圖作參考對(duì)本發(fā)明加以詳細(xì)敘述，其中


圖1給出了一個(gè)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的三步分離工藝的總體示意圖。
圖2顯示本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案。
圖3顯示本發(fā)明的另一個(gè)可能的實(shí)施方案。
圖4顯示本發(fā)明的一個(gè)用電感應(yīng)的能量傳輸?shù)礁鱾€(gè)聚結(jié)器基元的圖5顯示本發(fā)明的另一個(gè)用電容的能量傳輸?shù)膶?shí)施方案。
圖6是一個(gè)簡(jiǎn)圖，它表明了一種傳統(tǒng)的重力分離器的分離效率，是以分離相的水平對(duì)時(shí)間的函數(shù)來表示的。
圖7顯示一個(gè)在安裝了依據(jù)本發(fā)明的裝置后的相似的簡(jiǎn)圖。
圖8顯示一個(gè)實(shí)施方案，其中本發(fā)明的裝置包含了一個(gè)外加的多孔板，它被安裝在聚結(jié)器基元基體的上游。
圖9顯示根據(jù)本發(fā)明的一些裝置串連安裝在一起的排列圖。
發(fā)明詳述圖1是一種分離器系統(tǒng)的示意圖，這種系統(tǒng)通常是在井口的下游的。這樣一種分離器系統(tǒng)的某些要求是要將從井里生產(chǎn)的油流的壓力和溫度(典型的分別是60巴和60℃)降低到出口時(shí)典型的1巴和15℃。另外，出口的油應(yīng)當(dāng)含有少于0.5％的水。為滿足這些要求，可以用一種三步工藝，它包括了三個(gè)重力分離罐1，3，5。含有油、水和氣的井流進(jìn)入第一個(gè)分離器1。分離器1在入口處有一個(gè)流動(dòng)矯正器2。流動(dòng)矯正器的作用是保證在罐的主體中適當(dāng)?shù)幕钊降牧鲃?dòng)，也就是去分配和使流過罐的橫截面的多相液流均勻化。這個(gè)流動(dòng)矯正器通常是一塊多孔板，它使一定程度的壓力下降而均勻地分配流動(dòng)體積。典型地，孔眼的部分是橫截面面積的15-25％，孔的直徑是10-30mm。常常使用兩塊這樣的板，孔眼在徑向稍稍移位。這些窄的孔在流動(dòng)中引入了湍流。這起到聚結(jié)水的微粒的作用，從而加速了隨后的流體分離作用。離開第一個(gè)分離器的流體中典型地含有大約2-30％乳化在油中的水。
下一個(gè)分離器3是與第一個(gè)分離器1有相似的構(gòu)造，它將使水的含量降至接近1-10％。
要去除剩下的水現(xiàn)在變得更困難了，所以在最后的分離器5中的分離過程是慢的，流體滯留在罐中的時(shí)間大約是10分鐘，而在前面的分離器中大約是3分鐘。
本發(fā)明的主導(dǎo)思想是要把流動(dòng)矯正器和在管線中的靜電聚結(jié)器的特點(diǎn)結(jié)合起來。如圖2和3所示，這個(gè)想法的實(shí)現(xiàn)是采用了許多單個(gè)的靜電聚結(jié)器，每個(gè)聚結(jié)器包含一個(gè)乳狀液流過的管狀通道，在通道外裝有外部的電極，以對(duì)乳狀液施加電場(chǎng)，而取代了流動(dòng)矯正器傳統(tǒng)的多孔板。這樣，分離作用增強(qiáng)了，而且保證了在分離器中活塞式的流動(dòng)。這種新的流動(dòng)矯正器/聚結(jié)器是安裝在最初的重力分離器1，3中，最好是裝在它們的入口處。在此，分離過程的效力是最大的，所發(fā)明的流動(dòng)矯正器/聚結(jié)器提高了分離器1，3的功效。由于大幅度改進(jìn)了分離器的功效，使離開第二個(gè)分離器的油含水量少于0.5％，也即滿足了客戶的要求。從而，最后的分離器5最終可以省去。
圖2顯示了發(fā)明的聚結(jié)器和流動(dòng)矯正器相結(jié)合的第一個(gè)實(shí)施方案。這個(gè)裝置包含了許多小尺寸的聚結(jié)器基元21，它們組裝在一個(gè)分離器或容器橫截面上的基體里。每個(gè)聚結(jié)器基元21包含一個(gè)最好是管狀的用絕緣材料制成的通道24，第一個(gè)電極25和第二個(gè)電極26裝在通道24的外表面上。通道24的壁隔開電極25和26使之不與流過通道的乳狀液或流體直接接觸。各個(gè)通道排成排，許多電極以片或板的形式排列，將相鄰的排隔開。這樣對(duì)每一排的所有的通道電極25和26是共通的，對(duì)于排的兩面每個(gè)電極也是共通的。第一個(gè)電極25和第二個(gè)電極26電極性是相反的。
圖3顯示本發(fā)明裝置的另一個(gè)實(shí)施方案，其中每個(gè)隔開的通道34被一對(duì)螺旋狀纏繞的、有相反電極性的電極35，36所圍住，如已公開在共同未決的挪威專利申請(qǐng)2000 2383中的那樣。然而，盡管這個(gè)實(shí)施方案已被證明比第一個(gè)實(shí)施方案在分離流體時(shí)更有效，但是這個(gè)設(shè)計(jì)實(shí)施起來更復(fù)雜，因此第一個(gè)實(shí)施方案將是優(yōu)選的實(shí)施方案。
本發(fā)明裝置的另外的要求是它應(yīng)當(dāng)能經(jīng)得住兩種情況，一種是有大量水的情況，即部分或完全充滿水的連續(xù)相，另一種是干的情況，也即部分或完全充滿氣。為滿足這個(gè)要求，必須使用絕緣電極。圖2和3所示的實(shí)施方案中，電極是在管子外面的，因此對(duì)于高含水量的乳狀液是不會(huì)有問題的。正如較早已提到，本發(fā)明是打算安裝在分離過程的上游，甚至在含水量高的第一個(gè)分離罐中。因此，為了對(duì)付含有超過10％水的乳狀液，用絕緣的電極將是一個(gè)先決條件。
本發(fā)明的裝置是打算用于在海上和海下，即在海底的離岸設(shè)備中。在這些苛刻的環(huán)境中，設(shè)備最好從低壓電源供電。低壓線，典型地是400伏交流電，通過容器的壁傳送到帶有一個(gè)或多個(gè)整體變壓器的中心組件41或57，見圖4和5。聚結(jié)器基元的基體最好是做成聚結(jié)器組件。本發(fā)明的裝置在用于要求變化式樣的市場(chǎng)情況下，每個(gè)組件的尺寸必須不能超過現(xiàn)存的分離罐的人孔的尺寸。
本發(fā)明中，為給聚結(jié)器組件的電極通電，電能的傳輸在中心組件41，51與相應(yīng)的聚結(jié)器組件42，52之間沒有電流的接觸。在圖4中顯示的實(shí)施方案中，用電感偶合給聚結(jié)器的電極供電能的。中心組件包含了許多在半芯44上的初級(jí)變壓器線圈45。相鄰于中心組件41安裝了許多聚結(jié)器組件42，每個(gè)組件包括了許多在半芯46上的相應(yīng)的次級(jí)線圈47。每個(gè)半芯44，46安裝在靠近各自的組件41，42的壁上，這些組件用絕緣層保護(hù)。在分離容器中聚結(jié)器組件42安裝在中心組件41上，半芯44，46和線圈45，47一起形成了一個(gè)完整的變壓器。變壓器從電線43得到低壓交流電，而供給聚結(jié)器組件42中的電極高壓電。電感偶合使所有帶電的構(gòu)造部件可以完全嵌入在油/水兼容的絕緣材料里，從而保護(hù)它們?nèi)?duì)付在分離器中的苛刻環(huán)境。例如組件能夠模鑄在環(huán)氧樹脂中。這個(gè)申請(qǐng)中合適材料的選擇已進(jìn)一步在NO 20002383中敘述。
實(shí)現(xiàn)在中心組件與相鄰電極組件之間沒有電流接觸的電能傳輸?shù)牧硪粋€(gè)方法是采用電容偶合，見圖5。
在圖5中顯示的實(shí)施方案包含了一個(gè)被聚結(jié)器組件52包圍的中心組件51。中心組件包括一個(gè)輸入低壓交流電的變壓器。從變壓器的次級(jí)線圈輸出高壓電到極板53，后者被設(shè)置在平行和緊靠組件的壁的位置。
在聚結(jié)器組件52中，相應(yīng)的極板54被設(shè)置在與相鄰于中心組件51的壁平行的位置。在中心組件51和聚結(jié)器組件52中配置的成對(duì)的極板53和54形成了電容器，它使電能可以從中心組件51輸送到相鄰的聚結(jié)器組件52中的電極上。然而，正如在電感偶合的情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員知道許多方法在技術(shù)上來完成在中心組件和相鄰的聚結(jié)器組件之間的電容的能量傳遞。圖5所示只是一個(gè)例子，它揭示了一個(gè)概念，即用電容偶合可以使所需要的電能無接觸的傳遞，使在聚結(jié)器組件中的電極通電。
對(duì)排列在一個(gè)或多個(gè)組件中的聚結(jié)器基元的電極提供高壓電的其它方法是在每一個(gè)單獨(dú)的聚結(jié)器組件中安裝一個(gè)完整的變壓器。在這個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，組件的變壓器有一個(gè)隔開的可以從外面容易進(jìn)入的低電壓線圈的終端，同時(shí)有與流體絕緣的高電壓次級(jí)線圈。
在圖2-5所示的實(shí)施方案中，每個(gè)單個(gè)的通道典型的尺寸能夠是直徑5-30mm，長(zhǎng)度100-500mm。
圖6顯示了用含有10％水的非常穩(wěn)定的水-油乳狀液做的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。乳狀液在一個(gè)罐中以重力來沉降。圖6中有方塊點(diǎn)的線表示水或水的連續(xù)相與乳狀液間的界面位置，而有三角形點(diǎn)的線則表示相應(yīng)的在乳狀液與油或油的連續(xù)相間的界面。如圖所示，含有10％水的混合物在開始5小時(shí)沒觀察到分離作用。以后分離作用仍然是非常慢的，在油的連續(xù)相和水的連續(xù)相之間還沒有觀察到明顯的界面。
圖7表明在沉降罐中引入了本發(fā)明裝置后的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這例子中，在聚結(jié)器和流動(dòng)矯正器相結(jié)合的裝置中滯留時(shí)間大約是4秒鐘。如圖中能夠看到那樣，在油的連續(xù)相和水的連續(xù)相之間得到了明顯的界面，它是由帶圓點(diǎn)的線表示的，大約在1小時(shí)后分離過程就幾乎完全了。讀者應(yīng)該知道這是一個(gè)實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模的裝置，這是為什么所觀察的沉降時(shí)間與較早提到的在一個(gè)完全規(guī)模的生產(chǎn)設(shè)備中的時(shí)間不相符合的原因。
在沉降罐中傳統(tǒng)的流動(dòng)矯正器的優(yōu)點(diǎn)在于它使流體獲得有效的湍流，來加快微滴的碰撞速度從而聚結(jié)，并且提供足夠的剪切力來破壞密集的乳狀液層。這通常要通過在罐的整個(gè)橫截面上均勻分配的壓力下降來達(dá)到。這也促成了在沉降罐中所要求的活塞式的流動(dòng)方式。
在本發(fā)明的裝置中，湍流可以通過限制每個(gè)通道入口的流動(dòng)面積來增加，或者用任何其他的方法，如眾所周知的人工方法。
管狀的通道也能夠朝流動(dòng)方向向下傾斜排列。這就促進(jìn)了一種自凈效應(yīng)以避免由流體帶來的微粒，例如沙子，在通道中沉積并可能將它們阻塞。
應(yīng)用本發(fā)明的一種排列方式如圖8所示。聚結(jié)器裝置82安裝在靠近重力分離罐的入口處。外加的金屬多孔板81安裝在聚結(jié)器裝置82的上游。這板接地線(即罐的主體)，或更正確地接在用在聚結(jié)器電極的電位U+和U-的平均值。這個(gè)排列在電極的邊緣和多孔板間的區(qū)域83里產(chǎn)生許多不均勻的電場(chǎng)，這明顯地?cái)U(kuò)大了聚結(jié)器裝置的作用范圍。這板也將對(duì)分配和使流過罐的橫截面的流動(dòng)均勻化起作用。
圖9顯示包括在本發(fā)明中的另一種排列方式。在一個(gè)重力分離罐中，聚結(jié)裝置92a，92b，92c在流動(dòng)方向串連排列。在連續(xù)排列的裝置92a，92b，92c中，在同一垂直位置的聚結(jié)器電極接以相反的電極性。其作用是在連續(xù)排列的裝置間的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生高度不均勻的電場(chǎng)，從而擴(kuò)大了聚結(jié)器裝置的作用范圍。
因?yàn)楸景l(fā)明特別適用于包含油和水的乳狀液，因此是參照這樣一種應(yīng)用來進(jìn)行敘述的。然而，應(yīng)當(dāng)知道本發(fā)明適用于所有類型的應(yīng)用，其中可保證在乳狀液中流體適當(dāng)?shù)幕钊搅鲃?dòng)，同時(shí)用對(duì)乳狀液施加電場(chǎng)的方法來聚結(jié)乳化在第二種非極性流體中的第一種極性流體。
權(quán)利要求
1.一種安置在分離容器中具有流體混合物流過的一個(gè)入口和許多出口的裝置，用以促進(jìn)在第二種流體中乳化的第一種導(dǎo)電性流體靜電聚結(jié)，該裝置的特征在于它包括許多管狀的靜電聚結(jié)器基元(21，31)，這些基元與流體絕緣并在流動(dòng)方向延伸，它們排列在一個(gè)基本上覆蓋了該容器的整個(gè)橫截面的基體(22，32)里，以及用對(duì)流過該聚結(jié)器基元的流體施加電場(chǎng)的設(shè)備。
2.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于每個(gè)聚結(jié)器基元(21)包括一個(gè)絕緣的管狀通道(24)，所述對(duì)流體施加靜電場(chǎng)的設(shè)備包括一對(duì)相互作用的第一和第二電極(25，26)，它們排列在絕緣的管狀通道(24)的外面并與之相鄰，所述有相反電極性的電極(25，26)被間隙隔開，并在該通道的縱向平行地延伸。
3.權(quán)利要求2的裝置，其特征在于電極(25，26)制成為細(xì)長(zhǎng)的板形，這對(duì)于在基體的一排中所有聚結(jié)器基元是通用的，在相鄰排間所述電極是共享的。
4.權(quán)利要求1的裝置，其特征在于每個(gè)聚結(jié)器基元(31)包括一個(gè)絕緣的管狀通道(34)，所述對(duì)流體施加靜電場(chǎng)的設(shè)備包括一對(duì)相互作用的第一和第二電極(35，36)，它們排列在絕緣通道(34)的外面并與之相鄰，所述有相反電極性的電極被間隙隔開，并且螺旋式繞著所述通道平行地延伸。
5.權(quán)利要求2-4之任一項(xiàng)中的裝置，其特征在于聚結(jié)器基元(21，31)排列在至少一個(gè)聚結(jié)器組件中，一個(gè)完整的變壓器模鑄在該組件里，所述變壓器有從外部容易進(jìn)入的初級(jí)線圈終端和與流體絕緣的高壓次級(jí)線圈。
6.權(quán)利要求2-4之任一項(xiàng)中的裝置，其特征在于該裝置包括提供電壓的中心組件(41)，聚結(jié)器基元(21，31)的基體排列在許多聚結(jié)器組件(42)中，聚結(jié)器組件安裝在中心組件(41)的兩邊并與之相鄰，由電感偶合從中心組件(41)向聚結(jié)器組件(42)的電極(25，26；35，36)傳輸電能。
7.權(quán)利要求6的裝置，其特征在于中心組件(41)包括多個(gè)初級(jí)的變壓器線圈和半芯(43)，每個(gè)聚結(jié)器組件(42)包括一個(gè)相應(yīng)的次級(jí)變壓器線圈和半芯(44)，聚結(jié)器組件(42)中的半芯和中心組件(41)中的半芯電感應(yīng)接成一個(gè)磁路，它可以使電能傳輸?shù)诫姌O(25，26；35，36)。
8.權(quán)利要求7的裝置，其特征在于次級(jí)線圈和每個(gè)組件的聚結(jié)器基元模鑄在絕緣材料中，而形成整體的組件。
9.權(quán)利要求2-4之任一項(xiàng)中的裝置，其特征在于該裝置包括提供電壓的中心組件(51)，聚結(jié)器基元(21)的基體排列在多個(gè)聚結(jié)器組件(52)中，聚結(jié)器組件安裝在中心組件(51)的兩邊并與之相鄰，由電容偶合從中心組件(51)向聚結(jié)器組件(52)的電極(25，26；35，36)傳輸電能。
10.權(quán)利要求9的裝置，其特征在于中心組件(51)包括許多初級(jí)的電容器極板(53)，每個(gè)聚結(jié)器組件(52)包括相應(yīng)的次級(jí)的電容器極板(54)，聚結(jié)器組件(52)和中心組件(51)中極板(53，54)互相相鄰地安裝并被絕緣層隔開，極板(53，54)接成了一個(gè)電容偶合，它可以使電能傳輸?shù)诫姌O。
11.權(quán)利要求10的裝置，其特征在于次級(jí)電容器極板和每個(gè)組件的聚結(jié)器基元模鑄在絕緣材料中，而形成整體的組件。
12.上述任一項(xiàng)權(quán)利要求中的裝置，其特征在于管狀通道的直徑5-30mm，長(zhǎng)度100-500mm。
13.權(quán)利要求12的裝置，其特征在于所述通道是朝流動(dòng)方向向下傾斜的。
14.權(quán)利要求1-13之任一項(xiàng)中的裝置，其特征在于該裝置還包括一塊多孔的金屬板(81)，它安裝在聚結(jié)器基元的基體的上游，并基本上覆蓋了容器的整個(gè)橫截面。
15.權(quán)利要求14的裝置，其特征在于多孔板(81)接地于分離容器。
16.權(quán)利要求1-13任一項(xiàng)中的至少兩個(gè)裝置在流動(dòng)方向串連排體中的應(yīng)用，其中在兩個(gè)相鄰排列的裝置中，在相同的垂直位置的電極是電極性相反的。
17.權(quán)利要求1-12任何一項(xiàng)中的至少兩個(gè)裝置在流動(dòng)方向串連排體中的應(yīng)用，其中在兩個(gè)相鄰排列的裝置中，在相同的垂直位置的電極是電極性相同的。
全文摘要
一種配置在分離容器中的裝置，具有流體混合物流過的一個(gè)入口和許多出口，它是為了促進(jìn)乳化在第二種流體中的第一種導(dǎo)電性流體的靜電聚結(jié)，該裝置包括許多管狀靜電聚結(jié)器基元，后者在流動(dòng)方向延伸，它們排列在一個(gè)基本上覆蓋了該容器整個(gè)橫截面的基體里，以及對(duì)流過該聚結(jié)器基元的流體施加電場(chǎng)的方法。
文檔編號(hào)B01D17/04GK1607974SQ02826069
公開日2005年4月20日 申請(qǐng)日期2002年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月7日
發(fā)明者P·J·尼爾森, G·桑德, W·皮亞塞基 申請(qǐng)人:Abb 離岸系統(tǒng)股份有限公司