الفواصل الذكية: مرافق فصل الزيت/الماء ومعالجة الغاز - تأثير ظروف العملية على قياس مستوى السائل

تعد المعايرة الدورية لأدوات السفينة أمرًا ضروريًا لضمان استمرار أداء ووظيفة وعاء العملية. غالبًا ما تؤدي معايرة الأجهزة غير الصحيحة إلى تفاقم التصميم السيئ لأوعية العملية، مما يؤدي إلى تشغيل الفاصل غير المرضي وانخفاض الكفاءة. في بعض الحالات، يمكن أن يتسبب موضع الجهاز أيضًا في إجراء قياسات خاطئة. توضح هذه المقالة كيف يمكن أن تتسبب ظروف العملية في قراءات مستوى غير صحيحة أو يساء فهمها.
لقد بذلت الصناعة الكثير من الجهود لتحسين تصميم وتكوين أوعية الفصل وأجهزة الغسيل. ومع ذلك، فإن اختيار وتكوين الأدوات ذات الصلة لم يحظ إلا بقدر قليل من الاهتمام. عادة، يتم تكوين الجهاز لظروف التشغيل الأولية، ولكن بعد هذه الفترة، تتغير معلمات التشغيل، أو يتم إدخال ملوثات إضافية، ولم تعد المعايرة الأولية مناسبة وتحتاج إلى التغيير. على الرغم من أن التقييم الشامل في مرحلة اختيار أداة المستوى يجب أن يكون شاملاً، فإن عملية الحفاظ على التقييم المستمر لنطاق التشغيل وأي تغييرات في إعادة المعايرة وإعادة التكوين المناسبة للأدوات ذات الصلة حسب الحاجة طوال دورة حياة وعاء العملية، لذلك، الخبرة وقد أظهر أنه بالمقارنة مع التكوين الداخلي غير الطبيعي للحاوية، فإن فشل الفاصل الناجم عن بيانات الأداة غير الصحيحة هو أكثر من ذلك بكثير.
أحد المتغيرات الرئيسية للتحكم في العملية هو مستوى السائل. تشمل الطرق الشائعة لقياس مستوى السائل نظارات الرؤية/مؤشرات زجاج المستوى وأجهزة استشعار الضغط التفاضلي (DP). زجاج الرؤية هو وسيلة لقياس مستوى السائل بشكل مباشر، وقد يحتوي على خيارات مثل المتابع المغناطيسي و/أو جهاز إرسال المستوى المتصل بزجاج معدل لمستوى السائل. تعتبر أيضًا أجهزة قياس المستوى التي تستخدم العوامات كمستشعر قياس رئيسي وسيلة مباشرة لقياس مستوى السائل في وعاء العملية. يعد مستشعر DP طريقة غير مباشرة تعتمد قراءة مستواها على الضغط الهيدروستاتيكي الذي يمارسه السائل وتتطلب معرفة دقيقة بكثافة السائل.
يتطلب تكوين المعدات المذكورة أعلاه عادةً استخدام وصلتين لفوهة الشفة لكل جهاز، فوهة علوية وفوهة سفلية. من أجل تحقيق القياس المطلوب، يعد تحديد موضع الفوهة أمرًا ضروريًا. يجب أن يضمن التصميم أن الفوهة تكون دائمًا على اتصال بالسائل المناسب، مثل مرحلتي الماء والزيت للواجهة والزيت والبخار لمستوى السائل السائب.
قد تختلف خصائص السائل في ظل ظروف التشغيل الفعلية عن خصائص السائل المستخدمة للمعايرة، مما يؤدي إلى قراءات خاطئة للمستوى. بالإضافة إلى ذلك، قد يتسبب موقع مقياس المستوى أيضًا في حدوث قراءات خاطئة أو يساء فهمها. توفر هذه المقالة بعض الأمثلة على الدروس المستفادة في حل مشاكل الفواصل المتعلقة بالأدوات.
تتطلب معظم تقنيات القياس استخدام خصائص دقيقة وموثوقة للسائل الذي يتم قياسه لمعايرة الجهاز. تعد المواصفات والظروف الفيزيائية للسائل (المستحلب والزيت والماء) الموجود في الحاوية أمرًا بالغ الأهمية لسلامة وموثوقية تقنية القياس المطبقة. لذلك، إذا كان سيتم إكمال معايرة الأجهزة ذات الصلة بشكل صحيح لتحقيق أقصى قدر من الدقة وتقليل انحراف قراءات مستوى السائل، فمن المهم جدًا تقييم مواصفات السائل المعالج بدقة. لذلك، لتجنب أي انحراف في قراءة مستوى السائل، يجب الحصول على بيانات موثوقة عن طريق أخذ عينات وتحليل السائل المقاس بانتظام، بما في ذلك أخذ العينات المباشرة من الحاوية.
التغيير مع الوقت. طبيعة سائل العملية عبارة عن خليط من الزيت والماء والغاز. يمكن أن يكون لسائل العملية ثقل محدد مختلف في مراحل مختلفة داخل وعاء العملية؛ أي يدخل الوعاء كخليط سائل أو سائل مستحلب، لكنه يترك الوعاء كمرحلة متميزة. بالإضافة إلى ذلك، في العديد من التطبيقات الميدانية، يأتي مائع العملية من خزانات مختلفة، لكل منها خصائص مختلفة. سيؤدي هذا إلى معالجة خليط من كثافات مختلفة من خلال الفاصل. ولذلك فإن التغيير المستمر في خصائص السائل سيكون له تأثير على دقة قياس مستوى السائل في الحاوية. على الرغم من أن هامش الخطأ قد لا يكون كافيًا للتأثير على التشغيل الآمن للسفينة، إلا أنه سيؤثر على كفاءة الفصل وقابلية تشغيل الجهاز بأكمله. اعتمادًا على ظروف الفصل، قد يكون تغير الكثافة بنسبة 5-15% أمرًا طبيعيًا. كلما اقترب الجهاز من أنبوب الإدخال، زاد الانحراف، والذي يرجع إلى طبيعة المستحلب بالقرب من مدخل الحاوية.
وبالمثل، مع تغير ملوحة المياه، سيتأثر مقياس المستوى أيضًا. وفي حالة إنتاج النفط، ستتغير ملوحة المياه بسبب عوامل مختلفة مثل التغيرات في مياه التكوين أو اختراق مياه البحر المحقونة. وفي معظم حقول النفط قد يكون التغير في الملوحة أقل من 10-20%، لكن في بعض الحالات قد يصل التغير إلى 50%، خاصة في أنظمة الغاز المتكثف وأنظمة الخزانات شبه الملحية. يمكن أن يكون لهذه التغييرات تأثير كبير على موثوقية قياس المستوى؛ ولذلك، فإن تحديث كيمياء السوائل (النفط والمكثفات والماء) ضروري للحفاظ على معايرة الأجهزة.
وباستخدام المعلومات التي تم الحصول عليها من نماذج محاكاة العمليات وتحليل السوائل وأخذ العينات في الوقت الفعلي، يمكن أيضًا تحسين بيانات معايرة جهاز قياس المستوى. من الناحية النظرية، هذه هي الطريقة الأفضل وتستخدم الآن كممارسة قياسية. ومع ذلك، من أجل الحفاظ على دقة الجهاز مع مرور الوقت، يجب تحديث بيانات تحليل السوائل بانتظام لتجنب الأخطاء المحتملة التي قد تكون ناجمة عن ظروف التشغيل، ومحتوى الماء، وزيادة نسبة الزيت إلى الهواء، والتغيرات في خصائص السوائل.
ملاحظة: الصيانة المنتظمة والسليمة هي الأساس للحصول على بيانات موثوقة للأجهزة. تعتمد معايير وتكرار الصيانة إلى حد كبير على أنشطة المصنع الوقائية واليومية ذات الصلة. وفي بعض الحالات، إذا لزم الأمر، ينبغي إعادة ترتيب الانحرافات عن الأنشطة المخطط لها.
ملاحظة: بالإضافة إلى استخدام أحدث خصائص السوائل لمعايرة جهاز القياس بشكل دوري، يمكن استخدام الخوارزميات ذات الصلة أو أدوات الذكاء الاصطناعي فقط لتصحيح التقلبات اليومية لسائل العملية لمراعاة تقلبات التشغيل خلال 24 ساعة.
ملاحظة: ستساعد بيانات المراقبة والتحليل المختبري لسائل الإنتاج على فهم التشوهات المحتملة في قراءات المستوى الناتجة عن مستحلب الزيت في سائل الإنتاج.
وفقًا لأجهزة الإدخال والمكونات الداخلية المختلفة، أظهرت التجربة أن احتجاز الغاز ونشوء فقاعات عند مدخل الفواصل (بشكل رئيسي أجهزة فصل مكثفات الغاز العمودية وأجهزة غسل الغاز) سيكون لها تأثير كبير على قراءات مستوى السائل، وقد تؤدي إلى ضعف التحكم والتي تم تنفيذها . يؤدي الانخفاض في كثافة الطور السائل بسبب محتوى الغاز إلى مستوى منخفض كاذب للسائل، مما قد يؤدي إلى احتجاز السائل في الطور الغازي ويؤثر على وحدة ضغط العملية النهائية.
على الرغم من حدوث احتجاز للغاز وتكوين رغوة في نظام الزيت والغاز/المكثفات النفطية، تتم معايرة الجهاز بسبب تقلب كثافة الزيت المتكثف الناتج عن الغاز المشتت والمذاب في مرحلة المكثفات أثناء احتجاز الغاز أو نفخ الغاز. عن طريق العملية. سيكون الخطأ أعلى من نظام الزيت.
قد يكون من الصعب معايرة مقاييس المستوى في العديد من أجهزة غسل الغاز والفواصل الرأسية بشكل صحيح بسبب وجود كميات مختلفة من الماء والمكثفات في الطور السائل، وفي معظم الحالات، يكون للمرحلتين مخرج سائل مشترك أو خط مخرج ماء زائد عن الحاجة بسبب سوء فصل الماء. ولذلك، هناك تقلب مستمر في كثافة التشغيل. أثناء التشغيل، سيتم تفريغ المرحلة السفلية (الماء بشكل أساسي)، مما يترك طبقة مكثفة أعلى في الأعلى، وبالتالي تختلف كثافة السائل، مما سيؤدي إلى تغير قياس مستوى السائل مع تغير نسبة ارتفاع الطبقة السائلة. يمكن أن تكون هذه التقلبات حرجة في الحاويات الأصغر حجمًا، وتخاطر بفقدان مستوى التشغيل الأمثل، وفي كثير من الحالات، تعمل بشكل صحيح على النازل (النازل لمزيل الهباء الجوي المستخدم لتصريف السائل) ختم السائل المطلوب.
يتم تحديد مستوى السائل عن طريق قياس فرق الكثافة بين السائلين في حالة التوازن في الفاصل. ومع ذلك، فإن أي اختلاف في الضغط الداخلي قد يتسبب في حدوث تغيير في مستوى السائل المقاس، وبالتالي يعطي مؤشرًا مختلفًا لمستوى السائل بسبب انخفاض الضغط. على سبيل المثال، تغيير الضغط بين 100 إلى 500 ملي بار (1.45 إلى 7.25 رطل لكل بوصة مربعة) بين حجرات الحاوية بسبب تجاوز حاجز أو وسادة الاندماج سوف يتسبب في فقدان مستوى سائل موحد، مما يؤدي إلى مستوى الواجهة في الفاصل يتم فقدان القياس، مما يؤدي إلى التدرج الأفقي؛ أي مستوى السائل الصحيح عند الطرف الأمامي من الوعاء أسفل نقطة التحديد والطرف الخلفي للفاصل داخل نقطة التحديد. بالإضافة إلى ذلك، إذا كانت هناك مسافة معينة بين مستوى السائل وفوهة مقياس مستوى السائل العلوي، فقد يتسبب عمود الغاز الناتج في حدوث أخطاء في قياس مستوى السائل في وجود الرغوة.
بغض النظر عن تكوين وعاء العملية، فإن المشكلة الشائعة التي يمكن أن تسبب انحرافات في قياس مستوى السائل هي تكثيف السائل. عندما يتم تبريد أنبوب الجهاز وجسم الحاوية، قد يؤدي انخفاض درجة الحرارة إلى تكثيف الغاز الذي ينتج السائل في أنبوب الجهاز، مما يتسبب في انحراف قراءة مستوى السائل عن الظروف الفعلية في الحاوية. هذه الظاهرة ليست فريدة من نوعها بالنسبة للبيئة الخارجية الباردة. ويحدث في بيئة صحراوية حيث تكون درجة الحرارة الخارجية ليلا أقل من درجة حرارة العملية.
يعد تتبع الحرارة لأجهزة قياس المستوى طريقة شائعة لمنع التكثيف؛ ومع ذلك، يعد ضبط درجة الحرارة أمرًا بالغ الأهمية لأنه قد يسبب المشكلة التي يحاول حلها. من خلال ضبط درجة حرارة عالية جدًا، قد تتبخر المكونات الأكثر تطايرًا، مما يؤدي إلى زيادة كثافة السائل. من وجهة نظر الصيانة، قد يكون تتبع الحرارة أيضًا مشكلة لأنه يتلف بسهولة. الخيار الأرخص هو عزل (عزل) أنبوب الجهاز، والذي يمكن أن يحافظ بشكل فعال على درجة حرارة العملية ودرجة الحرارة المحيطة الخارجية عند مستوى معين في العديد من التطبيقات. تجدر الإشارة إلى أنه من وجهة نظر الصيانة، قد يكون تأخر خط أنابيب الجهاز مشكلة أيضًا.
ملحوظة: إحدى خطوات الصيانة التي غالبًا ما يتم تجاهلها هي تنظيف الأداة والزمام. اعتمادًا على الخدمة، قد تكون هذه الإجراءات التصحيحية مطلوبة أسبوعيًا أو حتى يوميًا، اعتمادًا على ظروف التشغيل.
هناك العديد من عوامل ضمان التدفق التي يمكن أن تؤثر سلبًا على أدوات قياس مستوى السائل. كل هذه هي:
ملحوظة: في مرحلة تصميم الفاصل، عند اختيار أداة المستوى المناسبة وعندما يكون قياس المستوى غير طبيعي، يجب مراعاة مشكلة ضمان معدل التدفق الصحيح.
تؤثر العديد من العوامل على كثافة السائل بالقرب من فوهة جهاز إرسال المستوى. ستؤثر التغيرات المحلية في الضغط ودرجة الحرارة على توازن السوائل، وبالتالي تؤثر على قراءات المستوى واستقرار النظام بأكمله.
وقد لوحظت تغيرات محلية في كثافة السائل وتغيرات المستحلب في الفاصل، حيث تقع نقطة التفريغ لأنبوب القادم/الصرف الخاص بمزيل الضباب بالقرب من فوهة جهاز إرسال مستوى السائل. يمتزج السائل الذي يتم التقاطه بواسطة مزيل الضباب مع كمية كبيرة من السائل، مما يسبب تغيرات محلية في الكثافة. تعد تقلبات الكثافة أكثر شيوعًا في السوائل منخفضة الكثافة. وقد يؤدي ذلك إلى تقلبات مستمرة في قياس مستوى الزيت أو المكثفات، مما يؤثر بدوره على تشغيل السفينة والتحكم في أجهزة المصب.
ملاحظة: لا ينبغي أن تكون فوهة جهاز إرسال مستوى السائل بالقرب من نقطة تفريغ النازل لأن هناك خطر التسبب في تغيرات متقطعة في الكثافة، مما سيؤثر على قياس مستوى السائل.
المثال الموضح في الشكل 2 هو تكوين شائع لأنابيب قياس المستوى، ولكنه قد يسبب مشاكل. عندما تكون هناك مشكلة في الميدان، فإن مراجعة بيانات جهاز إرسال مستوى السائل تستنتج أن مستوى السائل في الواجهة قد فقد بسبب سوء الفصل. ومع ذلك، فالحقيقة هي أنه مع فصل المزيد من الماء، يفتح صمام التحكم في مستوى المخرج تدريجيًا، مما يخلق تأثير فنتوري بالقرب من الفوهة أسفل جهاز إرسال المستوى، والذي يكون أقل من 0.5 متر (20 بوصة) من مستوى الماء. فوهة الماء. يؤدي هذا إلى انخفاض الضغط الداخلي، مما يؤدي إلى أن تكون قراءة مستوى الواجهة في جهاز الإرسال أقل من قراءة مستوى الواجهة في الحاوية.
كما تم الإبلاغ عن ملاحظات مماثلة في جهاز الغسيل حيث توجد فوهة مخرج السائل بالقرب من الفوهة أسفل جهاز إرسال مستوى السائل.
سيؤثر الوضع العام للفوهات أيضًا على الوظيفة الصحيحة، أي أن الفوهات الموجودة على مبيت الفاصل العمودي تكون أكثر صعوبة في سدها أو انسدادها من الفوهات الموجودة في الرأس السفلي للفاصل. وينطبق مفهوم مماثل على الحاويات الأفقية، حيث كلما انخفضت الفوهة، كلما اقتربت من أي مواد صلبة تترسب، مما يجعلها أكثر عرضة للانسداد. وينبغي النظر في هذه الجوانب خلال مرحلة تصميم السفينة.
ملاحظة: لا ينبغي أن تكون فوهة جهاز إرسال مستوى السائل قريبة من فوهة المدخل أو فوهة مخرج السائل أو الغاز، لأن هناك خطر انخفاض الضغط الداخلي، مما سيؤثر على قياس مستوى السائل.
تؤثر الهياكل الداخلية المختلفة للحاوية على فصل السوائل بطرق مختلفة، كما هو موضح في الشكل 3، بما في ذلك التطور المحتمل لتدرجات مستوى السائل الناتج عن تجاوز الحواجز، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط. تمت ملاحظة هذه الظاهرة عدة مرات أثناء استكشاف الأخطاء وإصلاحها وأبحاث تشخيص العمليات.
عادةً ما يتم تثبيت الحاجز متعدد الطبقات في الحاوية الموجودة في مقدمة الفاصل، ومن السهل غمره بسبب مشكلة توزيع التدفق في جزء المدخل. يؤدي الفائض بعد ذلك إلى انخفاض الضغط عبر الوعاء، مما يؤدي إلى إنشاء تدرج في المستوى. يؤدي هذا إلى انخفاض مستوى السائل في الجزء الأمامي من الحاوية، كما هو موضح في الشكل 3. ومع ذلك، عندما يتم التحكم في مستوى السائل بواسطة مقياس مستوى السائل الموجود في الجزء الخلفي من الحاوية، ستحدث انحرافات في القياس الذي يتم إجراؤه. يمكن أن يتسبب تدرج المستوى أيضًا في ظروف فصل سيئة في وعاء العملية لأن تدرج المستوى يفقد ما لا يقل عن 50% من حجم السائل. بالإضافة إلى ذلك، من المتصور أن المنطقة عالية السرعة ذات الصلة الناتجة عن انخفاض الضغط ستنتج منطقة دوران تؤدي إلى فقدان حجم الفصل.
يمكن أن يحدث موقف مماثل في مصانع الإنتاج العائمة، مثل FPSO، حيث يتم استخدام منصات مسامية متعددة في وعاء العملية لتحقيق الاستقرار في حركة السوائل في الوعاء.
بالإضافة إلى ذلك، فإن احتجاز الغاز الشديد في الحاوية الأفقية، في ظل ظروف معينة، بسبب انخفاض انتشار الغاز، سوف ينتج تدرجًا أعلى لمستوى السائل في الواجهة الأمامية. سيؤثر هذا أيضًا سلبًا على التحكم في المستوى في الطرف الخلفي للحاوية، مما يؤدي إلى اختلاف القياس، مما يؤدي إلى ضعف أداء الحاوية.
ملحوظة: مستوى التدرج في الأشكال المختلفة لأوعية المعالجة واقعي، ويجب التقليل من هذا الوضع لأنه سيؤدي إلى انخفاض كفاءة الفصل. تحسين الهيكل الداخلي للحاوية وتقليل الحواجز غير الضرورية و/أو الألواح المثقبة، إلى جانب ممارسات التشغيل الجيدة والوعي، لتجنب مشاكل تدرج مستوى السائل في الحاوية.
تتناول هذه المقالة العديد من العوامل المهمة التي تؤثر على قياس مستوى السائل للفاصل. يمكن أن تؤدي قراءات المستوى غير الصحيحة أو التي يساء فهمها إلى سوء تشغيل السفينة. وقد تم تقديم بعض الاقتراحات للمساعدة في تجنب هذه المشاكل. على الرغم من أن هذه ليست قائمة شاملة بأي حال من الأحوال، إلا أنها تساعد على فهم بعض المشاكل المحتملة، وبالتالي مساعدة فريق العمليات على فهم القياسات المحتملة والمشكلات التشغيلية.
إذا أمكن، قم بوضع أفضل الممارسات بناءً على الدروس المستفادة. ومع ذلك، لا يوجد معيار صناعي محدد يمكن تطبيقه في هذا المجال. من أجل تقليل المخاطر المرتبطة بانحرافات القياس وتشوهات التحكم، ينبغي مراعاة النقاط التالية في ممارسات التصميم والتشغيل المستقبلية.
أود أن أشكر كريستوفر كالي (أستاذ مساعد في جامعة أستراليا الغربية في بيرث، أستراليا، متقاعد من شركة شيفرون/بي بي)؛ لورانس كوغلان (مستشار Lol Co Ltd. Aberdeen، متقاعد من شركة Shell) وبول جورجي (مستشار Glasgow Geo Geo، جلاسكو، المملكة المتحدة) لدعمهم، تخضع الأوراق لمراجعة النظراء وانتقادها. أود أيضًا أن أشكر أعضاء اللجنة الفرعية الفنية لتكنولوجيا فصل SPE لتسهيل نشر هذه المقالة. شكر خاص للأعضاء الذين راجعوا الورقة قبل الإصدار النهائي.
يتمتع والي جورجي بأكثر من 4 سنوات من الخبرة في صناعة النفط والغاز، وتحديداً في عمليات النفط والغاز، والمعالجة، والفصل، ومعالجة السوائل وسلامة النظام، واستكشاف الأخطاء وإصلاحها التشغيلية، والقضاء على الاختناقات، وفصل الزيت عن الماء، والتحقق من صحة العملية، والتحليل الفني. الخبرة: تقييم الممارسة، والتحكم في التآكل، ومراقبة النظام، وحقن المياه، والمعالجة المعززة للاستخلاص للنفط، وجميع المسائل الأخرى المتعلقة بمعالجة السوائل والغاز، بما في ذلك إنتاج الرمل والمواد الصلبة، وكيمياء الإنتاج، وضمان التدفق، وإدارة السلامة في نظام عملية المعالجة.
ومن عام 1979 إلى عام 1987، عمل في البداية في قطاع الخدمات في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة وأجزاء مختلفة من أوروبا والشرق الأوسط. بعد ذلك، عمل في شركة Statoil (Equinor) في النرويج من عام 1987 إلى عام 1999، مع التركيز على العمليات اليومية، وتطوير مشاريع حقول النفط الجديدة المتعلقة بقضايا فصل النفط عن الماء، وأنظمة إزالة الكبريت وتجفيف معالجة الغاز، وإدارة المياه المنتجة والتعامل مع قضايا الإنتاج الصلب و نظام الإنتاج. ويعمل منذ مارس 1999 كمستشار مستقل في إنتاج مماثل للنفط والغاز حول العالم. بالإضافة إلى ذلك، عملت جورجي كشاهد خبير في قضايا النفط والغاز القانونية في المملكة المتحدة وأستراليا. شغل منصب محاضر متميز في SPE من عام 2016 إلى عام 2017.
لديه درجة الماجستير. ماجستير في تكنولوجيا البوليمرات، جامعة لوبورو، المملكة المتحدة. حصل على درجة البكالوريوس في هندسة السلامة من جامعة أبردين، اسكتلندا، ودرجة الدكتوراه في التكنولوجيا الكيميائية من جامعة ستراثكلايد، غلاسكو، اسكتلندا. يمكنك الاتصال به على wgeorgie@maxoilconsultancy.com.
استضافت جورجي ندوة عبر الإنترنت في 9 يونيو بعنوان "فصل عوامل التصميم والتشغيل وتأثيرها على أداء أنظمة المياه المنتجة في المنشآت البرية والبحرية". متاح عند الطلب هنا (مجانًا لأعضاء SPE).
مجلة تكنولوجيا البترول هي المجلة الرائدة لجمعية مهندسي البترول، حيث تقدم ملخصات وموضوعات موثوقة حول التقدم في تكنولوجيا الاستكشاف والإنتاج، وقضايا صناعة النفط والغاز، والأخبار حول جمعية مهندسي البترول وأعضائها.