原油处理概述本章主要讲述了原油处理的目的油气分离方式

第五章原油处理概述本章主要讲述了原油处理的目的、油气分离方式和操作条件的选择、油气两相分离器、油气水三相分离器和特殊用途的分离器等方面的知识。通过本章的学习，使学员能了解分离方式的选择对油田生产的影响，掌握分离器的结构、原理和设计方法，并且对特殊应用场合的分离器也有一个粗略的了解。本章的重点为多级分离与一级分离的比较、两相分离器的工艺计算以及油气水三相分离器中液相的停留时间确定和其界面控制方法等部分的知识。课程内容分配学时主要内容重点难点第一节原油乳状液共3学时1、原油乳状液的类型、生成机理、物性，原油脱水的基本方法；2、化学破乳脱水、重力沉降脱水和电脱水等；3、交、直流电场脱水效果的对比及双电场脱水器中电场的布置；4、重力沉降脱水的原理和沉降罐中的油水界面控制方法。1、原油乳状液的形成机理和性质2、重力沉降脱水电脱水器的工作原理第二节原油处理的基本方法第三节原油处理设计第一节原油乳状液本节主要介绍原油乳状液类型、乳状液生成机理、乳状液的性质以及在石油生产中原油乳状液的生成和预防等知识。通过本节的学习，我们应该掌握原油乳状液类型及其生成机理，石油生产中原油乳状液的预防措施。另外，也需对乳状液的性质、产生乳状液的原因有所了解。原油中所含的水分，有的在常温下用静止沉降法短时间内就能从油中分离出来，这类水称为游离水；有的则很难用沉降法从油中分离出来，这类水称为乳化水，它与原油的混合物称油水乳状液，或原油乳状液。脱除游离水后，乳化水在原油内的含量大体和原油密度成正比，密度愈大乳化水含量愈高。本节知识点：本节主要介绍原油乳状液类型、乳状液生成机理、乳状液的性质以及在石油生产中原油乳状液的生成和预防等知识。其中乳状液类型、乳状液的性质以及在石油生产中原油乳状液的预防措施是本节重点掌握内容。乳状液生成机理是本节的一个难点。1.乳状液类型两种或两种以上互不相溶（或微量互溶）的液体，其中一种以极小的液滴分散于另一种液体中，这种分散物系称为乳状液。原油和水构成的乳状液主要有两种类型。一种是水以极微小的颗粒分散于原油中，称油包水型乳状液，用符号W/O表示，此时水是内相或称分散相，油是外相或称连续相，W/O乳状液是原油处理中最常见的原油乳状液。另一种是油以极微小颗粒分散于水中，称为水包油型乳状液，用符号O/W表示，此时油是内相，水是外相。水包油型乳状液又称反相乳状液。2.乳状液生成机理由物理化学可知，形成乳状液必须具备下述条件：①系统中必须存在两种或两种以上互不相溶（或微量相溶）的液体；②有强烈的搅动，使一种液体破碎成微小的液滴分散于另一种液体中；③要有乳化剂存在，使分散的微小液滴能稳定地存在于另一种液体中。油田水驱开采时，油水密切接触、从地下流至地面，继而沿集油管网流至原油处理站。在流动过程中，随压力降低溶解气析出，流动中的搅拌、剪切等使某一液相变成液滴分散于另一相内，形成乳状液。乳状液形成的一系列过程发生在油－水界面上，应由溶液的表面物理现象入手研究形成稳定乳状液的机理。3.乳状液的性质1、乳状液的稳定性原油乳状液的稳定性是指乳状液抗油水分层的能力。影响原油乳状液稳定性的因素有：（1）分散相粒径分散相粒径愈小、愈均匀，乳状液愈稳定。（2）外相原油粘度在同样剪切条件下，外相原油粘度愈大分散相的平均粒径愈大，乳状液稳定性愈差。另一方面，原油粘度愈大乳化水滴的运动、聚结、合并、沉降愈难，增大了乳状液的稳定性。（3）油水密度差乳化水滴在原油内的沉降速度正比于油水密度差，密度差愈大，油水容易分离，乳状液的稳定性较差。（4）界面膜和界面张力分散在乳状液内的水滴处于不断地运动中，经常相互碰撞。若没有乳化剂构成的界面膜，水滴很容易在碰撞时合并成大水滴，从原油内沉降使油水分离。（5）老化时间对乳状液的稳定性有一定影响。乳状液形成时间愈长，乳状液越稳定，这种性质称为老化。（6）内相颗粒表面带电内相颗粒界面上带有极性相同的电荷是乳状液稳定的重要原因。（7）温度温度对乳状液稳定性有重要影响，提高温度可降低乳状液的稳定性。（8）原油类型原油类型决定了原油内所含天然乳化剂的数量和类型。（9）相体积比增加分散相体积可增加分散水滴的数量、粒径、界面面积和界面能，减小水滴间距，使乳状液稳定性变差。（10）水相盐含量水相内含盐浓度对乳状液稳定性也有重要影响。淡水和盐含量低的采出水容易形成稳定乳状液。（11）pH值一般，pH值增加，内相颗粒界面膜的弹性和机械强度降低，乳状液的稳定性变差。向乳化液中引入强碱提高水的pH值，能促进乳状液破乳2、密度原油含水、含盐后，其密度显著增大。若已知乳状液体积水含率、原油和含盐水的密度分别为和，则原油乳状液的密度可按下式确定：式中：、——分别为油和水的体积；——乳状液体积含水率。3、乳状液粘度影响乳状液粘度的因素很多，主要有：①外相粘度；②内相体积浓度；③温度；④分散相粒径；⑤乳化剂及界面膜性质；⑥内相颗粒表面带电强弱等原油乳状液粘度随水含量的变化呈现较为复杂的关系。如下图所示，水含率较低时乳状液粘度随水含率的增加而缓慢上升；水含率较高时，粘度迅速上升；当超过某一数值（图中约为65%～75%）时，粘度又迅速下降，此时W/O型乳状液变为O/W型或W/O/W型乳状液，这一数值称为反相点。此后，随水含率进一步增加，油水混合物的粘度变化不大并处于较低水平。4.石油生产中乳状液的生成和预防原则上，可采取以下措施防止稳定乳状液的生成：①尽量减少对油水混合物的剪切和搅拌；②尽早脱水。各类油井产生乳状液的原因及预防措施可归结如下：1.自喷井油水混合物沿油管由井底向地面流动时，随着压力降低，溶解在油中的伴生气不断析出，气体体积不断膨胀，从而对油、水产生破碎和搅动作用。当油气、水混合物通过自喷井油嘴时，流速猛增，压力急剧下降并伴随有温度的降低，使油水充分破碎，形成较为稳定的乳状液。在可能的情况下，用大油嘴并提高油田地面集输系统和油气分离器压力，减小油嘴前后的压差，有助于减少乳状液的生成。把油嘴装在井底也能减少原油乳状液的形成。2.深井泵采油用深井泵采油时，应防止抽油机固定阀、游动阀和柱塞的漏泄，因为在油水混合物液柱压力下漏泄处有极高的流速，产生激烈搅动并生成乳状液。从原油中析出的伴生气在通过阀等节流部件时会产生激烈搅动，因而选择尺寸较大的固定阀和游动阀、并用气锚（使气体进入油套环空内的一种装置）避免气体进入泵筒内可减少乳状液的生成。任何提高深井泵容积效率的措施均能减少乳状液的生成。往油井油套环空内注入破乳剂，不但能有效地阻止原油在井内的乳化，往往还能使油井增产。稠油井可改为由油套环空生产，由于流道面积大，液流平稳，能有效地防止原油乳化。3.气举井在气举井井口和气举气进入油管处，是气举井产生乳状液的主要场所。间歇气举时容易在井口和地面管网内产生乳状液；而连续气举时容易在注气点产生乳状液。4.地面集输管网油、气、水在地面集输过程中，多相混输管路、离心泵、弯头、三通、阀件等均会对混合物产生搅动，促使生成乳状液。因而，在地面集输系统的规划、设计和日常操作管理中应尽量避免混合物的激烈搅动。如管径不宜太小；尽量减少弯头、三通、阀件等的局部阻力；能利用地形输送的地方不要用泵；在流程中避免对流体的反复减压和增压；尽早分出混合物中的伴生气；注意各种阀门，特别是油气分离器排液阀的严密性等。在油气生产中，应把防止形成稳定原油乳状液放在突出地位，否则用于原油处理的费用将大幅上升，影响油气生产的经济效益。原则上，可采取以下措施防止稳定乳状液的生成：（1）控制油井出水，如采取分层开采、封堵水层、合理注水等措施来减少油井出水（2）控制油流搅拌，如提高油田地面集输系统和分离器的压力，减小油嘴前后压差；尽量简化油气集输流程；减少弯头、三通、阀件等局部阻力及泵的数量（3）往油井环形空间注入破乳剂，这不但能有效地阻止原油在井内乳化，往往还能使油井增产相关知识：界面能和界面张力图表面能上图表示某纯液体与饱和了本身蒸气的空气相接触，接触表面为MN。从图中可以看出，表层分子有流入液体内层的趋势，即在不平衡力场下液体表面有自动缩小的趋势。欲使液体内层分子移到表面上来，扩大液体的表面，就必须对系统作功以克服分子所受的指向液体内部的拉力。所作的功储存于表层，成为表层分子的位能，故液体表层分子比内部分子多储存一部分能量，这种能量称表面自由能，或表面能。在恒温、恒压条件下，液体表面积每增大一个单位所增加的表面能称为比表面能，以表示，其单位为J/m2或N/m。在数值上，比表面能等于在液体表面上垂直作用于单位长度线段上的表面紧缩力，即表面张力。两种液体相接触时，表面能与表面张力称为界面能和界面张力。由于液体分子间距远小于气体分子间距，两种液体分界面上的界面张力总小于这两种液体分别与空气接触时表面张力中的最大值。根据热力学第二定律，在恒温、恒压下，物系都有自动向自由能减小方向进行的趋势。当油水形成乳状液时，其接触界面和界面能都很大，从热力学观点看，乳状液是一种不稳定物系，分散相液滴必然会自发地合并，缩小界面面积使界面能趋向最低。因而，生成稳定乳状液必须有第三种物质存在，即需有乳化剂存在。相关知识：乳化剂图表面张力与溶液浓度关系当水中溶有其他物质后，溶质种类和它在水溶液中的浓度对水溶液表面张力的影响可分为三种类型，如上图所示。曲线1表明，在水中逐渐加入某溶质时，溶液的表面张力随溶液浓度的增加稍有升高。曲线2表明，溶液表面张力随溶液浓度的增加而降低。曲线3表示在水中加入少量某种溶质时，溶液表面张力急剧下降，至某一浓度之后，溶液表面张力几乎不随溶液浓度的增加而变化。凡是能使溶液表面张力升高的物质，称表面惰性物质；使溶液表面张力降低的物质称为表面活性物质，或表面活性剂。表面活性剂降低表面张力的能力称表面活性，或表面活度。大量实验证明，加入的溶质并非均匀地分布于溶剂内。当溶质能降低溶液的表面张力时，溶质会富集于表层内，力求最大程度地降低表面张力，以符合物系吉布斯(Gibbs)自由能最低的要求。反之，溶质使表面张力升高时，它在表层中的浓度比在内部的浓度低。这种表层与溶液内浓度不同的现象叫吸附。表层浓度大于溶液内浓度的吸附称正吸附；反之，称负吸附。显然，表面活性剂引起的是正吸附，表面惰性物质引起的是负吸附。从分子结构观点来看，表面活性剂的分子都同时含有亲水极性基团和憎水非极性基团。当活性剂分子被吸附于油水界面上替代了原有的液体分子时，按极性相似规则其极性部分被极性很强的水分子吸引，有竭力钻入水内的趋势，而非极性部分被非极性分子吸引，力求进入油相。当表面活性剂浓度不大、活性剂分子未占满油水界面时，随活性剂浓度增加，界面上活性剂分子数增加，油水界面张力成比例下降。当活性物质浓度达到饱和吸附值，即全部油水界面被活性剂分子占有时，油水界面张力几乎不再随活性剂浓度的增加而下降，如上图中曲线3所示。活性剂分子的极性部分虽与水分子极性相近，但它与水分子的吸引力比水分子之间的吸引力小，这样就减弱了水对界面层分子的吸引力。活性剂的非极性部分与油相分子的吸引力主要靠弥散力，其大小与分子量成正比。由于活性剂分子量一般很大，因而增强了油相对界面分子的吸引力。这样，使界面分子所受的合力减小，界面张力降低。表面活性剂吸附在油-水界面上形成吸附层，使：油水界面的界面张力下降，减少了剪切水相变为小水滴所需的能量，也减小了能使水滴聚结、合并的表面能，使乳状液的稳定性增加。表面活性剂降低界面张力的效果十分显著，在水包油乳状液中加不到1％的活性剂，能使油滴的界面张力由35mN/m降为0.35mN/m；若表面活性剂吸附层具有凝胶状弹性结构，在分散相液滴周围形成坚固并带韧性的薄膜，能有效地阻止水滴在碰撞中聚结、合并、沉降，使乳状液变得稳定；若表面活性剂为极性分子，排列在水滴界面上形成电荷，使水滴相互排斥，阻止水滴合并沉降，使乳状液稳定。有些既能润湿油又能润湿水的固体粉末，如油水混合物所携带的粘土、氧化铁、砂粒等亦是乳状液的重要乳化剂。作为乳化剂，这些固体粉末的粒径必须比分散相粒径小得多，以nm计。这些固体粉末聚集在油水界面上构成坚固而稳定的薄膜，阻碍分散相颗粒碰撞时