第三章 油气分离和计量

气液平衡时的温度和压力：
一元体系气液两相平衡时，温度和压力有对应的关 系，确定任一参数，另一参数就是定值； 二元体系处于气液平衡时，固定任一参数，另一参数 可在一定范围内变化。
体系的温度高于临界温度或压力高于临界压力：
一元体系，温度超过临界温度时，气体不能被液化;压 力高于临界压力时,体系内不可能有平衡的气液两相。 二元体系，当体系温度高于临界温度或压力高于临界 压力时，只要体系的状态处于包络线内，体系就存在 平衡的气液两相。
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1.平衡常数
气相
yi Ki = xi
液相
表示在一定条件下，气液两相平衡时，体系中组 分i在气相与液相中的分子浓度之比.
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1.平衡常数
可作为组分挥发性强弱的衡量标准。K大于1者为 挥发性强的轻组分，它倾向与浓集在气相中；K小 于1者为挥发性弱的重组分，它具有在液相中浓集 的倾向 是体系压力和温度的函数：p↑，K↓ ；T↑，K↑ 非理想体系，特别是在高压下的K和p、T、化合物 组成有关
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2.二元体系相特性
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2.完全互溶二元体系相特性
露点、露点压力、露点温度、露点线 开始有液体从饱和蒸气中析出的点，对应的温 度、压力为露点温度、露点压力。 泡点、泡点压力、泡点温度、泡点线 开始有气体从饱和液体中跑出的点，对应的温 度、压力为泡点温度、泡点压力。
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2.完全互溶二元体系相特性
纯烃的蒸气压曲线 曲线左上方的条件下，体 系内为单一的液相； 曲线右下方的条件下，体 系内为单一的气相； 曲线上的任一点，体系内 存在气液两相。
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1.纯化合物的相特性
气液两相共存并达到平衡状态时，宏观上两相 之间没有物质的传递，体系内液相的挥发量与 蒸气的凝结量相同，蒸气压力不再变化。这时 的气体称为饱和蒸气，液体称为饱和液体，相 应压力称为饱和蒸气压。
油气田地面工程概论
第三章
油气分离与计量
油气集输之前的生产环节： 油气开发、开采 油气集输的生产原料： 井流产物 油气集输的产品： 流向及流动特点
石油在地层内向井底的流动 在高压、高温多孔介质内的渗流
2π hK ( p e − pw ) Qo = μo ln(re rw )
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四、分离级数和分离压力
多级分离时，各级分离器控制的分离压力不同有不同 的分离效果。 克别尔（Campbell）提出,各级压力为常数时能得到 较好的分离效果,即各级分离器压力构成等比数列。
pi −1 ⎛ p1 ⎞ =⎜ ⎟ Rp = pi ⎝ pn ⎠
1n
可简捷地确定各级分离压力； 可为优化各级分离压力提供计算初值。
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二级油气分离流程示意图
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二、多级分离效果
① 多级分离会获得较多的液量、而且液相组成合理
（ C1 浓度低、C5＋浓度高）；
② 多级分离所得储罐原油中C1组分含量少，蒸气压低，
蒸发损耗少。
③ 多级分离所得天然气数量少，重组分在气体中的含量
低。
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多级分离效果好的解释
平衡体系压力较高时，分子的间距小，分子间吸引 力大，分子需要具备较大的能量才能进入气相，能 量低的重组分分子进入气相更困难，所以平衡体系 内气相数量较少，重组分在气相中的浓度也较低； 如果在较高的压力下把已分离成为气相的气体排 出，减少了体系中具有较高能量的轻组分分子，即 改变了体系的组成，则在压力进一步降低时就减少 了重组分分子被轻组分分子的撞击、携带的机率。 气体排出越及时，以后携带蒸发的机会就越少，重 组分分子进入气相的机率就越少。
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四、分离级数和分离压力
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，储罐原油收率增加越来越少，而分离设 备的投资和运营费用却大幅上升，使总体效益下降。 分离级数的选择
一级分离压力(表)，MPa 0.15~0.85 0.85~2.0 2.0~3.5 3.5~4.8 >4.8 分离级数 1 1~2 2 2~3 (若原油产量超过1500m3/d可增加级数) 4
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携带效应
在多元体系中，运动速度较高的轻组分分子，在分 子运动过程中与速度低的重组分分子相撞击使轻组 分分子失去了原来可以使其进入气相的能量，留在 液相中，而重组分分子获得能量进入气相。
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二、多级分离效果
④ 连续分离所得的液体量最多，一次分离所得的液 体量最少，多级分离居中。 ⑤ 分离级数愈多，液体收率愈大，液体密度愈小。
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影响分离效果的因素
压力 温度 石油的组成 分离级数
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三、衡量分离效果应考虑的因素
储罐中原油的收率 原油密度 储罐中原油的组成是否合理 分出天然气的组成 分离条件及能耗 天然气的运输和加工问题
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在分离作业中，常把C1~C4纳入气相，C5以上 纳入液相原油中，这样即可保证销售原油的质量和 汽油收率，又不会由于原油蒸气压过高而造成大量 蒸发损耗。 因为密度是衡量原油质量优劣的一个重要指 标。高质量的原油密度小，含轻组分多，炼制时汽 油收率高。
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三、影响油气分离效果的因素
压力：压力增大，总平衡液量增加。 温度：温度降低，平衡液量增加，组分的分子量 越小，增量越大。 0℃以下，特别是-10℃以下，总平衡液量的增 加主要是甲烷、乙烷和丙烷的作用，所以，不 宜在过低温度下进行油气分离作业。
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第二节 油气分离方式
一、油气分离方式
从油气井采出的油气混合物，总带有一定压力和 不同于地表的温度。在沿集输管网流动过程中， 随压力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析出， 这就是分离方式问题。
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2.相平衡计算
基本方程： 总物料平衡： L+V＝1
组分i的物料平衡 xiL＋yiV＝zi 平衡常数
n
Ki＝yi/xi
n
zi ∑ xi = ∑ L + VK = 1 i =1 i =1 i
∑y =∑
i =1 i i =1
n
n
zi L +V Ki
=1
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相平衡的计算步骤
求L、V、xi 、yi 时有三个方程，四个未知数， 需用迭代法，步骤如下： 假设 L 或 V，由 L+V=1 求出 V 或 L 求 xi 和 yi 校核 xi 或 yi 的总和是否为1，否则需重新假 设 V或 L
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2.完全互溶二元体系相特性
C为临界点。 临界冷凝压力：两相区包 线的最高压力pM 临界冷凝温度：两相区包 线的最高温度TM
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2.完全互溶二元体系相特性
等温反常凝析：在等温条件 下，由于压力降低，反常地发 生液化现象。 等温反常气化：在等温条件 下，由于压力升高，反常地发 生气化现象。 等压反常凝析、反常气化。 反常气化和凝析只有在高温、 高压下才发生。
露点线、泡点线共同包围的区域为气液两相平衡 区，在此范围内，越接近泡点线，饱和液体量越 多，越接近露点线，饱和气体量越多。 露点线和泡点线的交点为临界点。 体系处于临界点时，气液两相的强度性质相同， 变成均匀的一相。只要体系的状态处于包线范围 内，体系内就存在平衡的气液两相。
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二元体系与一元体系的对比
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气液相平衡
油气分离作业中最关心的问题： 油井生产的井流，在不同条件下处于何种状态？ 若为气液两相，则在某一已知条件下达到相平衡 时各相的数量、组成、性质如何？
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第一节 油气相平衡
一、烃系的相平衡
1. 一元体系（纯化合物）相特性 2. 完全互溶二元体系相特性 3. 多元体系相特性
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1.纯化合物的相特性
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一、油气分离方式
② 连续分离（微分分离、微分气化） 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 衡气亦最终排出干净，剩下的液相进入储罐。 实际生产中很难实现。
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一、油气分离方式
③ 多级分离
油气两相在保持接触的条件下，压力降到某一数值时，把 降压过程中析出的气体排出，脱出气体的原油继续沿管路 流动、降压到另一较低压力时，把该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。 集输过程中所经过的分离器数即为分离级数。
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第三节 油气分离器
油气分离器
把管路内自发形成并交错存在的气液两相分离为单 一的相态的液体和气体的过程，通常在分离器中进 行，它是油气田用得最多、最重要的设备之一。 气流中分离掉液体和固体；从油流中分离掉气体和 固体以及游离水；利用相对密度的差异将混合的液 体分离成两种或三种流体。
石油沿井筒由井底向井口的流动 压力、温度持续降低，油气混合流动 石油在地面集输系统的流动 联合站之前油气混合流动，联合站之后单相流动
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油气分离（气液分离）
地层中的石油到达油气井口并继而沿出油管或采气管 流动时，随压力和温度条件的变化，常形成气液两 相。为了满足油气井产品计量、矿场加工、储存和输 送的要求，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。 在水驱油藏开发中油井产物常含大量伴生水，采出水 具有很强的腐蚀性、易结垢，应尽早将其与原油分离.
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1.平衡常数
K的求取 以实验数据为基础的经验方法（简单、实用） 1. 查图法 2. 会聚压法 根据状态方程计算（通用性强，计算复杂）
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2.相平衡计算
在进行石油相平衡分离计算时，通常已知： (1)石油的组成和C7+假组分的分子量和密度； (2)分离的温度和压力条件； (3)石油中每种组分在分离条件下的平衡常数Ki。 通过计算需要确定的参数是： (1)若进入体系的物料为1克分子，或1公斤分子，在分离 条件下气液平衡时，气液相的比例，即气液相占整个 体系的分子分数V和L； (2)气液相组成，即各种组分在气液相中分子分数yi和xi