061第六章第一二节-海上油气水处理系统-海洋石油工程(课件)-中国石油大学(北京)-檀朝东

海洋石油工程第六章海上油气水处理系统海洋石油工程第六章海上油气水处理系统石油天然气工程学院檀朝东[e-mail]13801331255海上油气水处理系统海上油气水处理系统海上油气水处理系统海上油气水处理系统第六章海上油气水处理系统第一节海上原油处理系统第二节海上水处理系统第三节海上天然气处理系统第一节海上原油处理系统一、油、气、水分离二、脱水脱盐三、伴生气处理四、闭式排放五、辅助设施油、气、水分离油井产出液中含有原油、凝析油、天然气(包括自由气、溶解气、凝析蒸气)、水、杂质和外来物质。凝析油是一种在产层中呈凝析蒸气存在的烃。凝析气的成分通常随着油井产出流体温度降至地面操作条件而变为液体。伴生于原油的烃气称为天然气，并以“自由”气或“溶解”气形式存在。自由气是在操作压力和温度下呈气相存在的烃，自由气可以指任何压力下不处于溶解状态也不由于物理作用使其保持液态烃状态的任何气体。溶解气在一定压力和温度下均匀溶解在油中，减压和(或)增温可导致气体从油中逸出，并具有自由气特性。油、气、水分离伴随原油和天然气一起产出的水可能为蒸气或液体。液态水可能为自由水或乳化水。自由水到达地面后可以从液态烃中分离出来。乳化水以液滴状分散在液态烃中。油井产出的流体可能含有非烃类气体，如氮、二氧化碳、硫化氢等气体。油井流体还可能含有液态或半液态物质，如水和蜡;也可能含有钻井液、砂子、淤泥和盐类等固体杂质。油气水分离在流体流经产层进入井眼过程中就开始，并在流经油管、出口管线和处理设备过程中得到逐渐加强，分离的目的就是要将混合物各组分分开，以获得纯净的原油。油、气、水分离Ø处理工艺原油处理的最终目的是:①分离出油水混合液中的污水，污水进污水处理系统。经处理后，油中含水可降至0.5%一15%，以利于原油进一步净化;②分离出油水混合液中的伴生气，伴生气进伴生气处理系统。经处理后，油中含气达到如下要求:分离质量(%)K≤0.5cm³/m³(气)分离程度(%)S≤0.05m³/m³(液)③除去油水混合液中砂等杂质。油、气、水分离1.脱气原油中常含有溶解气，随着压力降低，溶于原油中的气体膨胀并析出。油气分离包括两方面的内容:①使油气混合物形成一定比例和组成的液相和气相;②把液相和气相用机械的方法分开。油气分离方式大致有三种:一次分离、连续分离和多级分离。在实际生产中，油气分离既不是一次分离，也不是连续分离，而是多级分离。由于储罐中的压力总是低于其进口管线压力，在储罐中总有天然气析出，因此常常把储罐作为多油、气、水分离级分离的最后一级来对待，一个油气分离器和一个油罐组成二级分离，两个油气分离器和一个油罐组成二级分离，其余依次类推。下图是典型三级油气分离流程示意图。1—高压分离器:2—低压分离器:3—油罐油、气、水分离分离效果主要用最终原油销售量及原油密度来衡量，得到的原油越多，密度越小，分离效果越好。一般要求气中尽量不带油滴(把直径为0.1~0.01mm的油滴都分离出来);同时要求油中尽量不含气体(一般一吨原油含气不应超过1m³)。多级分离的优点:①多级分离所得到的原油效率高、密度小。②多级分离得到的天然气量少，重组分在气体中的比例小。采用一级分离时，大量的轻质汽油组分被白白地烧掉，使原油产品贬值;③多级分离能充分利用地层能量，减少输送成本。油、气、水分离多级分离时，级数越多，获得的原油量将越多，分离效果越好。但是，随着分离级数的增加，在储罐中得到的原油回收增量越来越少，而投资费用却大幅度上升，经济效益下降，因此，分离级数不能过多。如下表所示，一般应根据油气物性和油井压力来合理选用分离级数:油、气、水分离①气油比较低的低压油田(依靠地层剩余压力进行油气分离时，压力低于采用一级油气分离;②中等原油密度、中到高气油比和中等井口压力的油田，采用三级油气分离;③井口压力高于，而原油密度低、气油比高时，可考虑采用四级油气分离。油、气、水分离油气分离器工作的好坏以分离质量和分离程度来衡量。分离质量是指分离器出口处每标准立方米气体所带液量的多少，它反映了分离器主要分离部分即沉降分离和除雾器的工作情况，分离出的气体中带液量越少分离质量越好。分离质量用百分数K来表示式中K—分离质量，%;—出气口排出的气体所携带的液体体积，m³；—出气口排出的气体体积，m³。分离质量差，不少轻质油组分被带走，降低了原油的数量和质量，而且在海上分离出来的天然气除了供应平台日常油、气、水分离所需外，剩余部分通过火炬烧掉，这样就使不少轻质油白白浪费。分离程度是指分离器在分离的温度、压力下，从其出液口中排出的液体所携带的游离气体积和液体体积之比值，用百分数S来表示:式中S—分离程度，%;—出液口流出的液体所携带的游离气体积，m³；—出液口流出的液体体积，m³。油、气、水分离分离程度是反映分离器集液部分结构的完善程度。分离程度差，还将引起输油管窜气，影响容积式流量计和离心泵的正常工作。但是过高地要求分离质量和分离程度将异致分离器结构复杂，外形尺寸增大，占用而积、空间增大，投资费用将大幅度上涨。我国规定的分离器工作标准是:油、气、水分离2.脱水油、水分离的基木原理是破坏乳化液油水界面膜的稳定性，使其破裂，促进水颗粒凝聚成大水滴，使水从原油中沉降下来。下表列出了各种脱水方法的基本原理、适用条件和主要优缺点。油、气、水分离Ø重力沉降适合于处理松散的不稳定乳化液，是最古老、最简单而又应用最广的一种方法。油与水的密度差引起水从油中沉降分离出来。山于水滴比它所置换体积的油重，使它有一个作用于它的向下的重力，与这重力相抗衡的是水滴向下运动穿过油而产生的阻力，当这两个力相等时，就会达到一个恒定的速度。Ø增加停留时间两个水滴碰撞聚结的机会会随着时间的延长而增加，增加停留时间会提高脱水效果。油、气、水分离Ø加热沉降法如图所示，各种不同含水原油的粘度与温度成反比关系，通过加热起到如下作用:①降低原油的粘度，使水的沉降速度加快;②削弱了油水界面的薄膜强度，使油水易于分离。原油温度的提高，增加了附在油水界面的沥青、石蜡、胶质等乳化剂在原油中的溶解度，降低了水滴保护薄膜的机械强度。③增加油水相对密度差，使水易于沉降。1-含水5%:2-含水14%；3-含水40%:4-含水60%油、气、水分离Ø热水冲洗法用大股热水冲洗含水原油，使原油中的小水珠互相碰撞聚结成大水珠，原油中的水也能和冲洗热水碰撞聚结成大水珠，有利于脱水，也有利于其它机械杂质沉降下来。Ø化学破乳脱水法用破乳剂来破坏油水界面膜，降低乳化液的稳定性，促使内相水滴碰撞、合并、沉降分离，达到脱水的目的。Ø粗粒化脱水法是利用油水对固体物质亲合状况(即润湿性)的不同来进行乳化液粗粒化脱水的方法。油、气、水分离Ø处理设备油气水地面处理设备主要是分离器。分离器按形状分一般有三种，即立式、卧式及球形，它们的优缺点如表。根据各形状分离器在分离效率、分离后流体的稳定性、变化条件的适应性、操作的灵活性、处理能力、处理起泡原油和安装所需空间等方面的优缺点比较，作为海上处理设备的分离器，首选的是卧式三相分离器，其次是立式两相，球形基本上不采用。油、气、水分离1-油气水混合物入口;2-入口分离元件;3-气;4-油雾提取器;5-压力控制阀;6-气出口;7-油出口控制阀;8-原油出LJ;9-水出口控制阀;10-水出口;11-原油;12-水;13-排污口:14-压力仪表:15-偏转挡板油、气、水分离分离器优缺点比较自由水分离器油、气、水分离油、气、水分离第一节海上原油处理系统一、油、气、水分离二、脱水脱盐三、伴生气处理四、闭式排放五、辅助设施脱水脱盐脱水脱盐的目的是对一级处理后的油液进一步进行净化处理，使其达到合格原油标准:含水及杂质小于0.2%重量百分比；含盐量小于0.05kg/m³。电脱水器和电脱盐器都是油气水处理系统中的重要设备，在常规工艺中，它们是两个独立的处理装置，分别完成各自的电脱水和脱盐任务。电脱盐工艺要增加一套原油与淡水混合设备，该设备的作用是加入淡水去“冲洗”原油，便于淡水吸收原油中的盐。脱水脱盐Ø电场技术电脱水和脱盐所使用的电场包括交流(AC)、直流(DC)和交直流电场，下表是三种电场的适用条件、工作方式和优缺点情况比较。脱水脱盐Ø电脱水脱盐机理水滴和盐等杂质在电场中聚结的方式主要有三种:电泳聚结、偶极聚结和振荡聚结。电法脱水只适用于低含水率油包水型乳状液。因为原油的导电率很小，油包水型乳状液通过电脱水器极间空间时，电极间电流很小，能建立起脱水所需要的电场强度。带有酸碱盐等电解质的水是良导体，当水包油型乳状液通过极间空间时，极间电压下降，电流猛增，即产生电击穿现象，无法建立极间必要的电场强度。同样，用电法脱水处理含水率较高的油包水型乳状液时，也容易产生电击穿，使脱水器的操作不稳定。因此，在处理高含水率原油乳状液时一般先经沉降脱水或陶粒脱水，使含水率降低后再进入电脱水器进行脱水，通常把这种脱水工艺称为二段脱水。脱水脱盐（1）电泳聚结带正电荷的水滴向负电极运动，带负电荷的水滴向正电极运动，这种现象称为电泳。由原油乳状液的性质可知，原油中各种粒径水滴的界面上都带有同性电荷，故在通直流电的平行电极中乳状液的全部水滴将以相同的方向运动。在电泳过程中，水滴受原油的阻力产生拉长变形，并使界面膜机械强度削弱。同时因水滴大小不等、所带电量不同、运动时所受阻力各异，各水滴在电场中运动速度不同。电泳过程中水滴的碰撞、合并称为电泳聚结。部分发生电泳聚结的水滴从原油沉降分出，未发生电泳聚结或碰撞合并后还不足以沉降的水滴将运动至与水滴极性相反的电极区附近。由于水滴在电极区附近密集，增加了水滴碰撞合并的几率，使原油中大量小水滴主要在电极区附近分出。脱水脱盐（2）偶极聚结如下图所示，在高压直流或交流电场中，原油乳状液中的水滴受电场的极化和静电感应，使水滴两端带上不同极性的电荷，形成诱导偶极。因为水滴两端同时受正负电极的吸引，在水滴上作用的合力为零，水滴除产生拉长变形外，在电场中不产生象电泳那样的运动，但水滴的变形削弱了界面的机械强度，特别在水滴两端界面膜的强度最弱。原油乳状液中许多两端带电的水滴象电偶极子一样，在外加电场中以电力线方向呈直线排列形成“水链”，相邻水滴的正负偶极相互吸引，电的吸引力使水滴相互碰撞，合并成大水滴，从原油中沉降分离出来。脱水脱盐电场中水滴的偶极聚结脱水脱盐把电场中两个大小相等、两端所带电荷量相同的水滴，看做两个相同的电偶极子，这两个偶极子的相互吸引力可由下式计算:由上式知:两水滴的相互吸引力，或称聚结力，同水滴半径R的平方成正比。因而在电场中一旦发生偶极聚结后，随着水滴半径的不断变大，水滴间的聚结力将越来越大。脱水脱盐水滴间的聚结力与成正比，而(R/L)值取决于原油含水率的大小，若原油含水率趋于零，(R/L)和聚结力F亦趋于零。这说明原油含水率很低时，偶极聚结脱水效果变差。一般认为，原油含水率小于0.1%，水滴间中心距L将是水滴直径的8倍以上，偶极聚结将不起作用。3.振荡聚结水滴中常带有酸、碱、盐等各种离子。在交流电场中，各种正负离子不断地做周期性的往复运动，离子的往复运动使水滴界面膜不断受到冲击，使其机械强度降低、甚至破裂，水滴聚结沉降，这一过程称为振荡聚结。显然，水滴愈大，离子对界面膜的冲击作用愈大，振荡聚结的效果愈好。脱水脱盐Ø电脱水和脱盐合二为一技术电脱水和脱盐合二为一技术也称电动态脱盐技术，该技术以双电场技术为基础。当淡化水进入电脱水和脱盐装置，并且使淡化水与原油成逆向流动，在高强电场作用下，淡化水被碎裂成许多统一细小颗粒与逆向而来的原油混合(淡化水“冲洗”作用)，使淡化水与盐水多层次接触，在电场减弱时细小颗粒又会较易结合在一起，并且不断增大最后发生沉降，达到脱水和脱盐的目的，脱水和脱盆在同一装置内完成。脱水脱盐电动态脱盐技术主要包括电场强度控制技术、强静电混合技术和淡化水与原油的逆向流动技术等四个方面。下表是电动态脱盐装置主要内件及其特性。静电混合周期由颗粒扩散、混合、结合和集结沉降四个处理阶段组成，每一次的电脱水和脱盐过程就是一个静电混合周期。在滞留时间之内，将会经