第二节 油气体系中的分离与溶解
第二章赵显琼油气分离
4、液面控制机构
① 气液界面高度对分离效果的影响：
气液界面过高时，会使液体窜到气体空间，甚至 进入排气管道，从而堵塞管路；液面过低时，会引起
出液管串气，严重时会造成输油泵抽空。
分离器的液面高度一般控制在分离器 的1/3～2/3之间。液面高于3/4，气管线 容易进油，液面低于1/4，油管线容易窜气。 ②分离器中常用的液位控制装置： 浮子连杆液面控制机构。
入口装置采用的分离原理： 离心分离。
入口装置分离的液滴直径： 500um以上的大液滴。
② 入口装置种类
转向冲头和隔板入口装置 动能吸收型 入口装置 折流冲头与包尔环箱入口装置 捕鼠器式入口装置 分离头式入口装置 旋流式入口 装置 内旋流式入口装置 外旋流入口装置
动能吸收式入口装置
旋流式入口装置
卧式分离器在重力沉降段的气流方向与液滴
的沉降方向 相互垂直 。 在重力沉降段，气流对液面的扰动小，分离 效果好。重力分离是目前使用的最基本的油气分
离方式。
（3）集液段：
分离后的液体进入集液部分。在集液段，液体 中携带的小气泡在 浮力 的作用下，上升至液面，进 入气相。
卧式分离器圆筒部分的长度通常取直径的3～5倍。
含杂质较多的油井产物
的处理。
三相分离器与两相分离器在结构上有什么不同？ 三相分离器比两相分离器多一块或几块油堰板，
多一个出水口。
九、分离器的基本结构
1、分离器的主要部件：
主体容器、分离部分、液面控制机构、压力控制机构等。
2、主体容器结构：
两端是碟形头盖，中间是圆筒形。容器上连接有 混合物入口、气体出口、液体出口、排污口、仪表、 阀门 等各种工艺需要的接口，以及安装、维修、检查 等需要的 人孔、手孔 等。
油层物理1-2 第二节 油气体系中的分离与溶解
Vg=∑Vgi（标）
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一、天然气从原油中的分离
4、闪蒸分离和级次脱气对比 脱出气 气量 多 少 密度 大（湿） 小（干） 脱出油 油量 少 多 密度 大 小
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(2) 温度的影响
当压力一定时，随温度的增加，溶解度降低
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(3)体系组成(composition)的影响
①气组成的影响
天然气密度↑→溶解度↑ -干气Rs＜湿气Rs
-单组分气体溶解度大小为：
C3>C2>CO2>C1>N2
②原油组成的影响
原油密度越大天然气溶解度越小
-重油中的Rs＜轻油中的Rs
Rs p
T
dRs dp
(m 3 /(m 3 MPa )
T
α与单组分气体性质有关； 气体分子量↑→α↑→Rs↑ ★α反映某种液体溶解某种气体的能力。
9
2、影响Rs大小的因素：（p、T、分离工艺和组成） (1)p的影响 外因 内因 ①亨利定律 Henry’s law：在温度一定时，某一单组分 气体在液体中的溶解度与压力成正比。
Rs p
适用范围：单组分气体、稀溶液
(1)天然气是多组分混合气体； (2)石油也非稀溶液； 因此，天然气在石油中的溶解不符合亨利定律。
10
(1)压力的影响
温度一定时，在低压下， 溶解系数较大的重烃组分 和易溶的非烃组分溶解到 石油中，因而曲线陡峭； 随压力的增加，重烃组分 基本溶解完毕，只有溶解 系数小的轻烃组分继续溶 解到石油中，因而曲线变 为直线； 当压力达到泡点压力时， 天然气全部溶解到石油中， 曲线变为水平线。
油层物理学
•1956年，苏联Φ.И.卡佳霍夫撰著“油层物理基础”
该书是“油层物理”从采油工程中单独分科的起点，随后得到了广 泛而深入的发展。
•60年代末，洪世铎在卡佳霍夫课本的基础上，首次在国
内编著中文版“油层物理基础”。从此油层物理在国内成 为一门独立的学科。 •98年编写了目前使用的课本，目前已经过三次修订，在 全国各油田及部分石油院校使用。
(4)提高原油采收率的机理。
Fundamentals of Enhanced Oil Recovery
特点：概念多、实验性强、较抽象。
最后成绩：考试70%＋平时10%＋实验20%。 考试形式：闭卷,以基本概念及其应用为主。
参考书： 1、洪世铎 «油层物理基础»； 2、何更生 «油层物理»； 3、杨胜来、魏俊之 «油层物理学»；
等压液化
P2
P2＝P泡 P3(液)
等压汽化
露点(Dew point)：温度一定，压力增加，开始从气
相中凝结出第一批液滴的压力。
泡点(Bubble point)：温度一定，压力降低，开
始从液相中分离出第一批气泡的压力。
单组分烃特点：泡点压力＝露点压力。
2)单组分烃p-v相图特点:
临界点C处：气、液的一 切性质(如密度、粘度等) 都相同。
组成(Composition)：体系中物质的各个成分及其相对含量。
P－T相图(phase diagram)：表示体系压力、温度与 相态的关系图。
3. 单、双、多组分体系的相图 3.1 单组分烃相图
Phase behavior of one component system
1)单组分烃相态特点
油层物理2.2
(2) 温度的影响 当压力一定时，随温度的增加，溶解度降低
(3) 油气性质的影响
油气的性质越接近，溶解度越大。
3. 溶解度的求取(不要求)
★ 特点
在油气分离过程中，分离出的气体与油 始终保持接触，体系的组成不变。
★ 示意图
2. 微分分离
★ 定义
在油气分离过程中，不断地将分离出的气 体排走，使脱气在系统组成不断变化的条件下 进行。 微分分离，又称微分脱气。
★ 多级脱气
所谓多级脱气，是指在脱气过程中，分几 次降低压力，每次降压所分离出的气体都及时 地从油气体系中放出，并测定其气量，直至降 至最后的指定压力，累加每次脱出的气量。
得 令 则
xi＝ni /[ Ki－(Ki－1) Nl]
各相物质平衡 方程
考虑到
Σxi＝1
相态方程
则 Σxi＝Σ{ ni /[ Ki－(Ki－1) Nl]}=1
同理
Σyi＝Σ{ni Ki /[ 1＋(Ki－1) Ng] }=1
相态方程
2.
露点方程和泡点方程
★ 露点方程
条件：Nl≈0， Ng≈1 露点方程：Σxi＝Σ(ni /Ki)＝1
§1.2 油气体系中的气－液分离与溶解
一、 天然气在原油中的溶解度 1. 亨利定律
a－溶解系数，在某一温度下， 每增加单位压力时，单位体积液 体中溶解气体体积的增量，标 m3/(m3.MPa)
R=αP
P－压力，MPa R－溶解度，在一定温度和压力 下，单位体积地面原油溶解气体 的标准体积，标m3/m3
油气水分离原理及工艺简介
6. 产生离心力的构件. (Centrifugal devices)
用在气-液分离器中. 它能让流入的流体产生一个旋转的流动, 从 而靠离心力的作用让液态组分聚结而分离.
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分离器主要内部构件
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分离器主要内部构件
7. 过滤元件(Filter elements)
过滤元件是用来除去流体中一些固体颗粒. 由于过滤元件 容易变脏, 必须定期更换, 所以要求这种分离器有容易开 关的门.
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水力漩流分离器(Hydrocyclone)
工作原理 ：
压力水源（从生产分离器来的生产水）从切线的 方向引入衬管，在衬管内形成旋转式流动，从而 产生离心力，在这种离心力的作用下，比重大的 液体（水）会靠着管壁流动， 比重小的液体（油） 会集中在衬管的中部。通过控制油出口和水出口 的压力，使水出口的压力大于油出口的压力，这 样聚集在衬管中间的油就会从与水相反的方向流 出，达到油水分离的目的。
设计通常用在井口分离器上.
12. 含沙锥底(Sand Cone).
应用于流体里有比较多的固体或沙砾的分离器. 沙砾会收集 在锥形底部, 需要定期冲洗. 通常也会有喷水嘴与其相连. 我 们的开式排放罐就是这种设计.
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分离器主要内部构件
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分离器主要内部构件
捕雾器
堰板
防涡器
偏转板
喷沙嘴
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现场设备介绍
8. 水平挡板(Horizontal baffles)
用在气-液分离器中以防止液面形成波浪. 通常它的安装位 置和分离器中液体的液位差不多.
9. 堰板(Weir)
保证油水在水腔里得到充分的分离, 而上层的油可以溢过 堰板流入油腔.
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分离器主要内部构件
石油基础知识油气水分离
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C1〜C5,并含有少量C6，经水冷后可得C3〜C6液态轻烃；从浅冷装置可得C3〜C8液态轻烃；从深冷装置可得C2〜C8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。
工程流体力学课程教学自学基本要求
4.油气分离方式；
5.天然气物性参数定义（相对密度、等温压缩系数、体积系数）及计算；
6.理想气体状态方程及压缩因子状态方程；
7.原油物性参数定义（溶解气油比、体积系数、等温压缩系数、粘度）的概念以及这些参数随压力的变化规律；
8.地层水水型的划分；
【选学内容（不要求掌握）】
2.单、双组分相图形式及其特点；
3.相态方程的应用；
4.天然气组成的表示方法；
5.天然气物性参数随压力温度的变化规律；
6.地层原油粘度影响因素；
7.地层水矿化度、硬度、体积系数、等温压缩系数等的定义；
【重点掌握】
1.单、双、多组分相图的特点，图中重要的点、线、区；
2.多组分烃体系相图的应用（油藏分类、油藏开发过程中的相态变化）；
2.岩石比面的定义；等径球体正排列模型比面的推导；
3.储层岩石孔隙度的概念及等径球体正排列模型孔隙度的推导；
4.综合压缩系数以及弹性储量的概念及计算；
5.达西公式（包括其微分形式、平面线性流公式及平面径向流公式）及应用；
6.气体滑动效应的概念及其对气测渗透率的影响；
7.储层流体饱和度的概念；
8.储层岩石中主要的胶结物及胶结类型的划分；
9.毛细管模型中孔隙度、渗透率及比面的推导；
【选学内容（不要求掌握）】
1.等径球体菱形排列岩石的孔隙度；
2.双重介质孔隙度；
3.间接法确定储层岩石孔隙度；
4.储层岩石渗透率的求取及裂缝性岩石的渗透率
5.储层流体饱和度确定的特殊岩石分析法及矿场方法；
6.粘土矿物产状；粘土矿物性质；粘土矿物的不稳定性的机制；
学习建议
学习本门课程应注意理论学习与实验相结合。通过实验环节强化对油层物理理论的理解。学生在学习时不仅要掌握基本概念和基本理论，而且要培养实验和计算的技能，从而实现本课程的学习目标。
油气水分离
第二节 油气水分离工艺设计一、概述海上油（气）田开发中井流必须经过处理，即进行油、气、水等分离、处理和稳定，才能满足储存、输送或外销的要求。
为了达到这一目的, 设置了一系列生产设备将井流混合物分成单一相态，其中分离器是一主要设备, 其它还包括换热器、泵、脱水器、稳定装置等设备（其他章节介绍）。
附录1中图1和图2就是典型的分离系统流程图[3]。
井流混合物是典型的多组分系统。
油气的两相分离是在一定的操作温度和压力下，使混合物达到平衡，尽量使油中的气析出、气中的油凝析, 然后再将其分离出来。
油、气、水三相分离, 除将油气进行分离外，还要将其中的游离水分离出来。
油、气、水分离一般是依靠其密度差, 进行沉降分离, 分离器的主要分离部分就是应用这个原理。
液滴的沉降速度和连续相的物性对分离效果具有决定性的影响。
下面就基本分离方法、影响因素、分离器的类型及设计计算、系统流程和参数的选取等方面进行介绍，并附以计算实例。
二、基本分离方法流体组分的物理差别主要表现在密度、颗粒大小和粘度三个方面，这些差别也会受到流速、温度等的影响。
根据这些影响因素，油、气、水分离的基本方法主要有三种。
1. 重力分离重力分离是利用流体组分的密度差，较重的液滴从较轻的流体连续相中沉降分离出来。
对于连续相是层流状态的沉降速度可以按斯托克斯定律计算：μρρ18)(2L w g do W -= 公式2-3-2式中： W --油滴或水滴沉降速度, m/s ； d o --油滴或水滴直径, m ； ρw , ρＬ--重、轻组分密度, kg/m 3；μ--连续相的粘度, Pa •s 。
2. 离心分离当一个两相流改变运动方向时，密度大的更趋于保持直线运动方向，结果就和容器壁碰撞，使其与密度小的流体分开。
气体分液罐的入口一般根据此原理设计，使气体切线进入，离心分离；离心油水分离机也是据此原理设计。
如果离心分离的流态是层流，也可用斯托克斯定律计算其离心分离速度。
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方法 闪蒸分离 级次脱气
方式 一次 多次
体系组成 不变 变化
汽油比 大 小
结论： 级次脱气比闪蒸分离得到的气更干，气量更少； 级次脱气比闪蒸分离得到的油更轻，油量更多。
7
二、天然气向原油中溶解
1、溶解度(solubility)和溶解系数(solubility coefficient)
(1)溶解度Rs Solubility：一定p、T下，单位地面体积的某种原油能够溶解的 气量在标态下的体积。
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(2) 温度的影响
当压力一定时，随温度的增加，溶解度降低
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(3)体系组成(composition)的影响
①气组成的影响
天然气密度↑→溶解度↑ -干气Rs＜湿气Rs
-单组分气体溶解度大小为：
C3>C2>CO2>C1>N2
②原油组成的影响
原油密度越大天然气溶解度越小
-重油中的Rs＜轻油中的Rs
脱出气量比一次脱气少，油量比一次脱气多， 测出的气油比小，气体比重小。 气油比GOR＝Vg／Vo 式中Vo为最后一次脱气后的油体积（标）
Vg=∑Vgi（标）
6
一、天然气从原油中的分离
4、闪蒸分离和级次脱气对比 脱出气 气量 多 少 密度 大（湿） 小（干） 脱出油 油量 少 多 密度 大 小
泡点(bubble point) 开始从液相分离出第一个气泡的气液共存态。 泡点压力(bubble point pressure) 在温度一定的情况下，开始从液相中分离出第一个气 泡的压力。
露点(dew point) 开始从气相中凝结出第一滴液滴的气液共存态。 露点压力(dew point pressure) 在温度一定的情况下，开始从气相中凝结出第一滴 液滴的压力。
Rs p
T
dRs dp
(m 3 /(m 3 MPa )
T
α与单组分气体性质有关； 气体分子量↑→α↑→Rs↑ ★α反映某种液体溶解某种气体的能力。
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2、影响Rs大小的因素：（p、T、分离工艺和组成） (1)p的影响 外因 内因 ①亨利定律 Henry’s law：在温度一定时，某一单组分 气体在液体中的溶解度与压力成正比。
第二节 油气体系中的分离与溶解
一、天然气从原油中的分离 1. 接触分离(flash vaporization) 使油藏烃类体系从油藏压力和温度状态瞬时变 到某一特定压力和温度状态，实现油气分离， 并迅速达到相平衡的过程。 接触分离，又称一次脱气，或闪蒸分离。
1
1. 接触分离示意图
2
Rs p
适用范围：单组分气体、稀溶液
(1)天然气是多组分混合气体； (2)石油也非稀溶液； 因此，天然气在石油中的溶解不符合亨利定律。
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(1)压力的影响
温度一定时，在低压下， 溶解系数较大的重烃组分 和易溶的非烃组分溶解到 石油中，因而曲线陡峭； 随压力的增加，重烃组分 基本溶解完毕，只有溶解 系数小的轻烃组分继续溶 解到石油中，因而曲线变 为直线； 当压力达到泡点压力时， 天然气全部溶解到石油中， 曲线变为水平线。
临界点(critical point) 在临界状态下，共存的气、液相所有内涵性质相等。
3
1. 接触分离
特点： 一次性连续降压，一次性脱气； 体系总组成不变，油气两相始 终保持接触。 结果： 脱出气量多，油量少，测出的 气油比(GOR＝Vg／Vo)高，气 体比重大（含C2-C5多） 脱气的p-V 关系为两相交的直 线段，交点为气液开始分离的 初始点，即体系的泡点(p 泡) 体系饱和压力pb＝p 泡 (实验测体系pb 的依据)
天然气在原油中的溶解规律：★
油越轻，气越重，天然气的Rs 越大； 体系温度越低，天然气的Rs 越大； 体系压力越高，天然气的Rs 越大。
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二、天然气向原油中溶解
（4）脱气方式（分离工艺） 一次脱气 脱气曲成不变） 多级脱气
溶解曲线②、脱气曲线③
Rs
Vg标 Vos
(m 3 /m 3 )
★溶解度反映某种液体溶解了多少某种气体。
8
二、天然气向原油中溶解
(2)溶解系数α（solubility coefficient） α：温度一定时，每增加单位压力时，单位
体积液体中溶解气量的增加值。
m3/(m3.Mpa)
Vg标 Vos p T
曲线②和③为什么不重合?
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5
一、天然气从原油中的分离
3、级次/多级脱气 (multistage separation)
级次脱气：在脱气过程中，分几次降低压力， 直至降到最后的指定压力为止。而每次降低 压力时分离出来的气体都及时地从油气体系 中放出。
特点：
分次降压，分次脱气； 每次脱气类似于一次独立的闪蒸分离； 脱气过程中体系组成要发生变化。 结果：
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一、天然气从原油中的分离
2、微分分离/脱气 (differential separation/liberation) 微分分离：等温降压过程中，不断使分出的天然气从体系 中排出，保持体系始终处于泡点状态的分离方式。
特点： 气油分离在瞬间完成 气油两相接触极短； 组成不断变化。