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石油基础知识油气水分离地层中的石油到达井口并继而沿出油管、集油管流动时，根据其组成、压力和温度条件，形成了油气共存混合物。为了满足油井产品计量、矿场加工、储存和长距离输送的需要，必须将它们按液体和气体分开，成为通常所说的原油和天然气，这就是油气分离。组成一定的油气混合物在某一压力和温度下，只要油气充分接触，接触时间很长，就会形成一定比例和组成的液相和气相，这种现象称为平衡分离。平衡分离是一个自发过程。把平衡分离所得的原油和天然气分开并用不同的管线分别输送，称为机械分离。原油和天然气的分离作用就包括上述两方面的内容。油气分离效果的好坏直接影响油田所得原油与天然气产品的质量与数量，它是油气集输系统工程中最基本的操作，也是要求最高的操作。因此，如何设计、选用最高效能的油气分离设备和最合理的分离操作方式，用最少的设备，最低的能耗获得最佳的油气分离效果，即用最小投资取得最高的经济效益，就成为油气集输中的关键问题之一。在油田上，通过原油稳定和油田气初加工（包括浅冷和深冷加工）可回收部分液态轻烃。从负压原油稳定装置回收的轻烃一般是C1C5，并含有少量C6，经水冷后可得C3C6液态轻烃；从浅冷装置可得C3C8液态轻烃；从深冷装置可得C2C8液态轻烃，其中C2收率可达85。由于轻烃组分不稳定，又是易燃、易爆物质，所以为了防火、防爆和减少油品损失，必须要求较高的贮存技术。地层中的石油到达井口并继而沿出油管、集油管流动时，根据其组成、压力和温度条件，形成了油气共存混合物。为了满足油井产品计量、矿场加工、储存和长距离输送的需要，必须将它们按液体和气体分开，成为通常所说的原油和天然气，这就是油气分离。组成一定的油气混合物在某一压力和温度下，只要油气充分接触，接触时间很长，就会形成一定比例和组成的液相和气相，这种现象称为平衡分离。平衡分离是一个自发过程。把平衡分离所得的原油和天然气分开并用不同的管线分别输送，称为机械分离。原油和天然气的分离作用就包括上述两方面的内容。油气分离效果的好坏直接影响油田所得原油与天然气产品的质量与数量，它是油气集输系统工程中最基本的操作，也是要求最高的操作。因此，如何设计、选用最高效能的油气分离设备和最合理的分离操作方式，用最少的设备，最低的能耗获得最佳的油气分离效果，即用最小投资取得最高的经济效益，就成为油气集输中的关键问题之一。在油田上，通过原油稳定和油田气初加工（包括浅冷和深冷加工）可回收部分液态轻烃。从负压原油稳定装置回收的轻烃一般是C1C5，并含有少量C6，经水冷后可得C3C6液态轻烃；从浅冷装置可得C3C8液态轻烃；从深冷装置可得C2C8液态轻烃，其中C2收率可达85。由于轻烃组分不稳定，又是易燃、易爆物质，所以为了防火、防爆和减少油品损失，必须要求较高的贮存技术。第二节 分离方式和操作条件的选择在自喷油田中，从油井生产出来的油气混合物带有一定的压力和高于大气的温度。在沿集输管网流动的过程中，随着压力的降低，溶解在液相中的气体不断析出。如何对待这些不断析出的气体，是随析出随从管系中引出，还是积累到一定程度后从管系中引出，这就是分离方式的问题。分离方式对所得原油和天然气的数量和质量都有很大的影响，需要加以研究。一、分离方式分离方式基本上可分为下列三种，即：一次分离、连续分离和多级分离。所谓一次分离是指油气混合物的气液两相一直保持接触的条件下逐渐降低压力，最后流入常压储罐，在罐中一下子把气液分开。由于这种分离方式有大量气体从储罐中排出，同时油气进入油罐时冲击力很大，实际生产中并不采用。连续分离是指随着油气混合物在管路中压力的降低，不断地将逸出的平衡气排出，直至压力降为常压，平衡气亦最终排除干净，剩下的液相进入储罐。连续分离亦称为微分分离或微分汽化，它在实际生产中亦很难实现。多级分离是指油气两相保持接触的条件下，压力降到某一数值时，把降压过程中析出的气体排出，脱除气体的原油继续沿管路流动、降压到另一较低压力时，把该段降压过程中从原油中析出的气体再排出，如此反复，直至系统的压力降为常压，产品进入储罐为止。每排一次气，作为一级；排几次气，叫做几级分离。由于储罐的压力总是低于其进油管线的压力，在储罐中总有平衡气排出，因而通常把储罐作为多级分离的最后一级来对待，而其他各级则通过油气分离器来排出平衡气。所以，一个油气分离器和一个油罐是是二级分离，二个油气分离器和油罐串连是三级分离，以此类推。图2-1为典型的三级分离流程。二、分离效果的衡量因素判别油气分离效果的好坏是件复杂的工作。过去，许多油田所产的伴生天然气大多作为矿区自用燃料，多余部分放空烧掉，不对外销售，因而希望在矿场油库的储罐中得到尽可能多的销售原油，并据此衡量分离效果。近20多年来，人们对天然气的综合利用愈来愈重视，并从天然气中生产贵重的化工原料和受欢迎的民用燃料，因而在衡量分离效果时，应针对石油组成和油田具体情况综合考虑下列因素，以获得最佳经济效益。1、所产原油的数量和价值；2、所产天然气和其它产品的数量和价值；3、分离级数、分离压力、分离温度对分离设备数量、质量和能耗的影响；4、使天然气、液化气、轻质油达到国家规定的质量要求（如：露点、组成、蒸气压等）所需加工设备（压缩机、制冷设备、净化设备等）的费用和能耗等。此外，还需考虑国民经济发展对各种油田产品数量和质量的要求。三、分离级数和分离压力的选择从理论上分析，分离级数愈多，在储罐中原油收率愈高，但过多地增加分离级数，储罐原油收率的增加愈来愈少，而分离设备的投资和经营费用却大幅度上升，使企业经济效益下降。国内外长期实践证明：对于一般油田，采用三级或四级分离，经济效益最好；对于气油比低的低压油田（依靠地层剩余压力进行油气分离时，压力低于0.7兆帕）则采用采用二级分离，经济效果较佳。在选择分离压力时，要考虑石油组成和油井井口压力。各油田的井压和石油组成变化范围很大，无法提出适合各种具体情况的各级最优压力计算式，最好拟定多种分离方案，经相平衡计算后，选其优者。一般来说，采用三级分离时，一级分离压力的范围为0.73.5兆帕，二级分离压力范围为0.070.55兆帕。若井口压力高于3.5兆帕时就应该考虑四级分离了。克别尔（Campbell）在分析了大量油气分离数据后，提出了一个确定多级分离作业各级间压力比的经验公式。若分离级数为n，各级操作压力为P1、P2、Pn、（绝对压力）时，各级间压力比R为若末级为0.1兆帕（绝对）时，则上述公式是确定各级分离压力比的简捷方法，但实际生产中最后一级分离器和储罐之间的压力比一般要比其它各级间的压力比小得多。在油气分离作业中，还常在油罐前安装蒸馏罐，其控制压力一般为0.2兆帕（绝对），与油罐的压差很小，目的是避免大量气体进入油罐并增加原油收率。蒸馏罐和储罐形式上是二级分离，但在计算级数时一般不算蒸馏罐这一级。第三节 油气水分离器把在管路内自发形成并交错存在的气液两相分离为单一相态的原油和天然气的过程通常在油气分离器中进行，它是油气田用得最多、最重要的设备之一。一、分离器的类型和分离器质量的检验标准（一）分离器的类型油田上使用的分离器，按其外形主要有两种形式，即卧式分离器和立式分离器；按分离器的功能可分为油气两相分离器、油气水三相分离器、计量分离器和生产分离器等；按其工作压力可分为真空（0.1兆帕）、低压（1.5兆帕）、中压（1.5-6兆帕）和高压（6兆帕）分离器等；按实现油气分离主要利用的能量又可分为重力式、离心式和混合式等。1、卧式分离器。流体由入口分流器（图2-2）进入分离器。经过入口分流器，油、气的流向和流速突然改变，使油气得以初步分离。经初步分离的原油在重力作用下流入分离器的集液部分。集液部分需要有一定的体积，使原油流出分离器前在集液部分有足够的停留时间，以便被原油携带的气泡上升至液面并进入气相。集液部分也提供缓冲容积，均衡进出分离器原油流量的波动。集液部分的原油最后经由液面控制器的出油阀流出分离器。为得到最大的气液界面面积，通常使卧式分离器充满二分之一的液体。来自入口分离器的气体水平地通过液面上方的重力沉降部分，被气流携带的油滴在此部分靠重力降至气-液界面。未沉降至液面的、粒径更小的油滴随气体流经除雾器，在除雾器内聚结、合并成大油滴，在重力作用下流入集液部分。脱除油滴的气体经压力控制阀流入集气管线。2、立式分离器。图2-3为立式分离器示意图。油气混合物由侧面进入分离器，经入口分流器使油气得到初步分离。原油向下流入分离器的集液部分，析出所携带的气泡后经出油阀流入管线。经入口分流后的气体向上流向气体出口，气体中所携带的油滴在重力作用下沉降至集液部分。油滴的运动方向与气流方向相反。气体流经除雾器时近一步脱除所携带的油滴后流出分离器。3、 其他形式的分离器（1）卧式双筒分离器。这种分离器的气室和液室是分开的（图2-4）。油气混和物经设在上筒的入口分流器进入分离器后，分出的原油通过连通管进入下筒。气体流经重力沉降部分和除雾器脱除液滴后流出分离器。原油中所夹带的气泡在下筒内析出并经连通管上升至上筒。由于聚积的原油和气流隔开，避免了气体在液面上方流过时使原油重新汽化和原油表面泡沫被气体带走的可能。由于它的建造费用较高，卧式双筒分离器在西方国家已不再广泛使用。（2）离心式分离器。离心式分离器（图2-5）主要依靠油气混合物作回转运动时产生的离心力使油气分离。虽然离心式分离器占用空间小、效率高，但因为它的分离效果对流速很敏感并要求有较大的压力，因而在油田上并不常用。油田上常利用离心力使油气分离的原理作为重力式油气分离器的入口分流器。（3）过滤式分离器。主要用于从气体中除油。含微量液体的气体通过过滤管时使雾状液滴聚结成较大的液滴并和入口分离室的液体汇合流入液体罐内（图2-6）。气体则通过除雾器后流出分离器。这种分离器可以脱除100直径大于2微米的液滴和99的小到0.5微米以上的液滴。过滤式分离器通常用于油田压缩机站压缩机的入口和仪表气的净化。4、 卧式与立式分离器的比较从分离器重力沉降部分中液滴下沉方向与气流运动方向来看，在立式分离器中两者相反，而在卧式分离器中两者相互垂直。在后一种情况下，液滴更易于从气流中分出，因而卧式分离器适合于处理气油比较大的流体。在卧式分离器中，气液界面面积较大，集液部分原油中所含气泡易于上升至气相空间，即所得原油中含气量少。此外，卧式分离器还有单位处理量成本较低，易于安装、检查、保养，易于制成移动式装置等优点。立式分离器适合于处理含固体杂质较多得油气混合物，可以在底部设置排污口定期排放和清除固体杂质。卧式分离器处理含固体杂质较多的油气混合物时，由于固相杂质有4560的静止角，故在分离器底部沿长度方向需设置几个排放口。立式分离器占地面积小，使用于海洋采油。立式分离器还具有液面控制较为容易的优点。总之，对于普通油气分离，特别是在可能存在乳状液、泡沫或高气油比时，卧式分离器较经济。在油气比低或很高的场合（如涤气器）立式分离器较为有效。（二）分离器的检验标准不论是卧式还是立式分离器都应创造良好条件，使溶解于原油中的气体以及气体中的重组分在分离器控制的压力和温度下尽量析出和凝析，使油气混合物接近相平衡状态。这就要求在分离器内气液接触面面积大，气液在分离器内有必要的滞留时间。分离器内接近平衡状态的程度可用原油的脱气程度和天然气通过分离器后的质量增加百分数表示式中， 、 分离器前、后原油的质量流量；、 分离器前、后天然气的质量流量。油气混和物组成、分离压力和分离温度相同的条件下， 和 愈大表示分离器内气液两相愈接近平衡状态，分离器的平衡分离愈完善。分离器还必须具有良好的机械分离效果，即希望由分离器流出的气体尽量少带液滴，原油中尽量少带气泡。这分别用气体带液率k1和液体带气率kg表示。显然，气体带液率k1的大小主要取决于分离器重力沉降部分和除雾器工作的优劣，而液体带气率kg主要取决于集液部分的工作质量，而分离器的入口分流器与两者均有关。k1、kg愈小，表明气液净化程度愈高，分离器的结构愈完善。但过高地追求净化程度往往导致分离器结构复杂，外形尺寸增大。二、油气水三相分离器油井产物中常含有水，特别在油井生产的后期，含水量逐渐增多。含水的油井产物进入分离器后，在油气分离的同时，由于密度差，一部分水会从原油中沉降至分离器底部。因而处理这种原油的分离器必须有油、气、水三个出口。这种分离器称为三相分离器。三相分离器亦有卧式和立式之分。图2-7和图2-8是两种典型的的卧式三相分离器的原理图。如图2-7所示，油气水混合物进入分离器后，进口分流器把混合物大致分成气液两相。液相由导管（图中未画出）引至油水界面以下进入集液部分，集液部分应有足够体积使游离水沉降至底部形成水层，其上是原油和含有较小水滴的乳状油层。油和乳状油从挡板上面溢出。挡板下游的油面由液面控制器操纵排水阀的开度，使油水界面保持在规定的高度，气体水平地通过重力沉降部分，经除雾器后由气出口流出。分离器的压力由设在气管上的阀门控制。油气界面的高度依据液气分离的需要可在1/2到3/4直径间变化，一般采用1/2直径。图2-8为另一种形式的卧式三相分离器，器内设有油池和挡水板。油自挡油板溢流至油池，油池中油面由液面控制器操纵的出油阀控制。水在油池下面流过，经挡水板流入水室，水室的液面由液面控制器操纵的排水阀控制。油池上下游构成一连通器，油层厚度 与挡水板高度间存在如下关系式中， 、 油和水的密度；油气界面至油水界面的高度；油水界面至分离器底部的高度；挡水板高度。在上式中 是挡油板高度，为一固定不变的数值。若增加挡水板高度 ，将会使水层厚度 增大，油层厚度 减小。可以设想，当挡水板与挡油板高度相等时，油池上游油层的厚度为零。相反，若挡水板太低，油层厚度将不断增大直至油从油池下面流至挡水板处，并从排水口排出。通常，将挡油板或挡水板做成可调高度的堰板，在油水密度或流量改变时进行调节，以保持一定的油层厚度和油在分离器内的停留时间，使油中水珠能沉降至分离器底部的水层中。这种结构的分离器适用于重质、高含蜡乳状原油，水界面不易用界面控制器控制的场合。图2-9为典型立式三相分离器的结构示意图。混合物经进口分流器分出大部分气体后，液体经导管输至油水界面下方的分流器流出，分流器使油水混合物在容器的整个横截面上流速均匀。油在向上流动的过程中，释放出束缚在水相中的油滴，从而使油水得以分离。原油上方的气体由气体平衡管流至气室与入口分流器分出的气体汇合，经除雾器流出分离器。图2-10为三相分离器常用的界面控制方法。第一种方法用一个可调平衡浮子控制油气界面，用界面浮子控制排水阀的开度使油水界面保持在一定的高度。由于器内没有隔板或挡板，故制造简单，对含砂和固体杂质多的流体效果好。第二种方法用一块挡油板控制油气界面，全部原油在排出容器前必须上升到挡油板的高度，所以油水分离效果好。缺点是油箱占去一部分容器空间，并将在油箱底部产生不易排出的沉积物，且制造成本较高。第三种方法与图2-8所示的卧式分离器相似，用可调高度挡水板或出水管控制油水界面的位置，优点是不需要油水界面控制器，缺点是需附加的外部管路和容器。立式和卧式三相分离器的优缺点同油气两相分离器类同，卧式三相分离器有较好的分离效果。三相分离器内的油水界面处，常聚集一层油水乳状液，乳状液使油水界面控制器的灵敏度大为降低，同时使油水在分离器内的有效停留时间减小，影响油水分离效果。通常用加热或加破乳剂来减小其有害影响。三、几种典型的分离器结构最早的油气分离器基本上是空筒结构。随着技术的发展，分离器的内部结构日趋完善。分离器各种内部结构的功能无非是促进气液达到平衡状态，强化油气水分离，以便在规定的处理量和分离质量的前提下，尽量减小分离器的结构尺寸。针对各油田油气特性和处理要求，存在各种分离设备。现介绍几种国内外常用的分离器。（一）立式油气分离器（图2-11）油井来的油气混合物经连接管线流至分流汇管。沿汇管的长度方向有一条或多条窄缝，油气混合物经窄缝流出并得到初步分离。原油流经多层折流板后流入集液部分。折流板使原油的运动路线增长，油气接触面增加，有利于油气达到相平衡状态。同时，由于折流板上的油层很薄，亦有利于气泡从原油中析出。由浮子控制的出油管线上的液面调节阀使集液部分的液位保持一定高度。气体在分离器的重力沉降部份分出大部分油滴后进入波纹板除雾器，在除雾器中进一步分出油滴并经整流后流出分离器。除雾器内捕获的油滴在板面上聚结成油膜并由排液管流至集液部分。沉积在分离器底部的砂子或其他杂质可通过排污口定期排放。人孔供分离器检修用。（二）卧式油气分离器图2-12和图2-13是美国某公司制造的两种卧式分离器。在第一种分离器内，当具有一定速度的油气混合物冲击碟形挡板时，流体的速度和运动方向突然改变，较重的原油沿碟形挡板表面流入容器底部，较轻的气体自上面逸出，达到油气初步分离的目的。为防止碟形挡板表面滴下的原油冲击集液部分液面，导致飞溅和液滴再次进入气相，在碟形挡板下方靠近液面处设有挡液板。在第二种分离器内，油气混合物以切线方向进入同心圆筒的间壁内，产生高速旋转（速度可达6米/秒）。原油在离心力作用下甩向外筒内壁，呈膜状淌入容器底部，气体由内筒自下而上流出。为减小来自入口分流器的原油对容器底部液面的冲击，在筒下方设有堰板，使液面的波动控制在堰板的上游。这种结构适用于含气量高的油气混合物。油气初步分离后得到的气体常处于紊流状态，不利于气流中携带油滴的沉降，故使其通过气体整流器整流。整流器为一系列同心平行薄板，充满控制液面以上的容器界面。气体通过整流后，紊流状态大为减弱，促进气流中的油滴在重力下沉降，同时整流器还缩短了气流中油滴的沉降距离。气液隔板的作用是防止气体在液面上方流过时，使原油重新雾化而被气体带走，并使液面保持平稳，以利于原油中所含固体杂质的沉降分离。一般，隔板位置略高于控制液面且与液面平行。（三）三相分离器图2-14为我国中原油田设计的一种300017640毫米卧式三相分离器。油气水混合物先进入水平安装的、与流体流动方向垂直并开有两排小槽的入口分离器，使液体以瀑布形式流向水平分离板，并以薄层反向流至分离器端头，下淌至集液部分。气体上升至分离器上部。初步分离得到的气液两相都要经过稳流装置，以减小流体的波动和扰动，给油气水沉降分离创造良好的条件。气液相间装有气液隔板，其下方设有与液流方向垂直的挡沫板。挡沫板用来阻止浮在液面上的气泡向原油出口方向流动，使气泡在液面上有足够的停留时间，破裂并进入气相。原油经油水沉降分离后由溢流板上方进入油室，并经出油阀进入原油管线。平行捕雾板的板间距为30毫米，与水平线呈30度倾角，板面与气流方向平行，起气体整流、缩短油滴沉降距离的作用，并使部分油滴被湿润的板表面聚结。集液部分的原油层内还设有加热器，以提高油温，促使游离水从原油中沉降，乳化原油出口和污水出口设有防涡板和防涡罩，以防止排液时产生漩涡，带走污水上部的原油和原油上部的天然气。排液口防涡设施，除图示的防涡板和防涡罩外，还可采用蜂窝管，即在容器底部适当高度处设一长度方向上有均匀开孔（圆孔或长孔）的接于出口上的管子，或采用如图2-15所示的十字形挡板。图2-16是美国制造的一种卧式三相分离器，其原油脱气、脱水过程与对图2-8的描述相同。