原油处理课件

1、第五章 原油处理注水驱动方式开采的油藏占有极大的比例，因而从油井产出的油气混合物内经常含有大量的采出水和泥砂等机械杂质。特别在油田后期生产中，油井产物内的水油比常超过l0，泥砂等机械杂质亦可高达l%l.5%(质)。据统计，世界上所产原油的90以上需进行脱水。对原油进行脱水、脱盐、脱除泥砂等机械杂质，使之成为合格商品原油的工艺过程称原油处理，相应的容器称处理器或聚结器，国内常称原油脱水，相应的容器称脱水器。 概述原油含水，不但直接影响原油的质量，而且增加了后续处理工艺和输送过程中的动、热力消耗，引起金属管路和设备的腐蚀；水中携带泥砂、碳酸盐等，还会对输送管道和设备造成磨损，形成结垢等。另外，原油

2、含水，还会影响炼制加工过程的正常进行。由于原油中所含的盐类和机械杂质大部分溶解或悬浮于水中，所以原油的脱水过程实质上也是脱盐、脱机械杂质的过程。 原油处理的目的：满足对商品原油含水量、盐含量的行业或国家标准。商品原油交易时要扣除原油含水量，原油密度则按含水原油密度计。从井口到矿场油库，原油在收集、矿场加工、储存过程中，不时需要加热升温，原油含水增大了燃料消耗、占用了部分集油、加热、加工资源，增加了原油生产成本。原油含水增加了原油粘度和管输费用。原油内的含盐水常引起金属管路和运输设备的结垢与腐蚀，泥砂等固体杂质使泵、管路和其他设备产生激烈的机械磨蚀，降低了管路和设备的使用寿命。影响炼制工作的正常

3、进行。第一节 原油乳状液根据水分在原油中存在的形式不同，原油中的含水可分为游离水和乳化水两种。游离水在常温下用简单的沉降方法在较短的时间内就可以从油中分离出来；乳化水与油形成了一定结构的乳状液，很难用简单的沉降法直接从油中分离出来，通常需要通过一定的方式破乳后，再进行沉降脱水。因此，乳化水的脱除将是研究的重点。 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，含水原油经游离水脱除器后的剩余水含量可用图5-1或经验相关式(5-1)粗略估算。 （5-1）式中 水含量，%；。原油相对密度。一、原油乳状液类型 两种或两种以上不互相溶或微量互溶的液体，其中一种以极小的液滴

4、分散于另一种液体中，这种分散物系称为乳状液。乳状液都有一定的稳定性。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乳状液是油田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。在原油处理中O/W乳状液很少见，采出水中存在O/W乳状液，故水包油型乳状液又称反相乳状液。 另外，还有复合乳状液，即油包水包油型、水包油包水型等，分别以O/W/O和W/O/W表示。 W/O型乳状液的内相水滴粒径一般在0.250 范围内，也称粗乳

5、状液。在普通显微镜下可观察到内相水滴的存在，见图5-2。还有一种油田不常遇到的乳状液，其水滴粒径范围为0.010.2 ，称细乳状液。油包水乳状液还可细分为致密乳状液和疏松乳状液。疏松乳状液的水滴粒径较大，乳状液不太稳定，依靠重力较易使油水分离；而致密乳状液分散相粒径很小，很稳定，油水分离难度较大。二、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：系统中必须存在两种以上互不相溶(或微量相溶)的液体；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； 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。 水在烃类液体内的溶解性极低，随烃的类别不同大致在几十至几百mg/

6、L范围。烃在水中的溶解度也很低，因而，原油和水是两种微量相溶的液体，在工业上常认为油水是两种互不相溶的液体。 油水互不相溶乳化剂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的合并，是乳状液稳定的又一机理。沥青质、蜡晶也是一种油溶性固体乳化剂。 乳化剂不但使乳状液稳定，还影响乳状液类型。如图5-5所示，在油、固、水三相物系中若以 表示水对固体的接触角，则有： 90。，油能更好地润湿固体，固体的大部分在油相中，形

7、成W/O乳状液。人们还从实践中得到相同结论：水溶性活性剂倾向于结合更多的水分子，界面的吸附膜必然凸向水相，形成O/W型乳状液；相反，油溶性活性剂倾向于结合更多的油分子，从而形成W/O型乳状液。集输过程中机械搅动的存在原油中含水并含有足够数量的天然乳化剂是生成原油乳状液的内因。原油中所含的天然乳化剂主要为沥青质、胶质、环烷酸、脂肪酸、氮和硫的有机物、蜡晶、粘土、砂粒、铁锈、钻井修井液等。油水混合物在从井底到地面、从井口到计量站、集中处理站的流动过程中，以及在油气分离等前期处理过程中的不断降压、搅动等作用是形成乳状液的外因。 综上所述，形成稳定乳状液的条件是： 多相系统中必须存在两种以上互不相溶或

8、微量相溶的液体； 系统中要有乳化剂存在，使一种液体的微小液滴能稳定地存在于另一种液体中； 要有剧烈的搅动，使一种液体破碎成微小的液滴分散于另一种液体中。 防止石油生产中稳定乳状液生成的方法：（1）尽量减少对油水混合物的剪切和搅拌；（2）尽早脱水。三、乳状液的稳定性乳状液稳定性：是指乳状液抗油水分层的能力。影响原油乳状液稳定的因素： 分散相颗粒 外相原油粘度 油水密度差 界面膜和界面张力 老化 内相颗粒表面带电 温度 原油类型 相体积比 水相盐含量 pH值内相颗粒表面带电 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: 乳状液内相颗粒界面上力场的不平衡； 处于内相颗粒界面上的分子电离；

9、 由于内相颗粒的布朗运动，因摩擦而带电；由于上述原因，乳状液内相颗粒界面上和其邻近的介质中带有数量相等而符号相反的电荷，构成双电场，如图5-6所示。显然，全部内相颗粒界面上均带有同种电荷。由于静电斥力，两相邻水滴必须克服静电斥力才能碰撞、合并成大颗粒下沉，使乳状液变得稳定。 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，这是因为： 可降低外相原油粘度； 提高乳状液乳化剂沥青质、蜡晶和树脂等物质的溶解度，削弱界面膜强度； 加剧内相颗粒的布朗运动，增加水滴互相碰撞、合并成大颗粒的几率。 第二节 原油处理的基本方法 根据原油含水的形式和油水混合物的性质， 目前常用的原油脱水方法有

10、：化学破乳剂；重力沉降脱水；加热脱水；机械脱水；电脱水；离心脱水等。 一、常用术语破乳：乳状液的破坏称破乳。絮凝：絮凝指某些高分子聚合物的长链分子具有多个活性基团，分别吸收在各个水滴，使大量乳化水滴聚集在一起，但水滴的界面膜是连续的、没有破裂，水滴也没有合并成大水滴。聚结：乳状液处理器内小粒径水滴的合并，变成能在规定停留时间内沉降至容器底部水层的大粒径水滴的过程称聚结。聚结时间估算d0起始粒径； d最终粒径； 乳状液体积水含率；Ks特定系统的经验参数； j 大于3的经验参数，与水 滴碰撞反弹概率有关。假设j=4，忽略起始粒径d0，上式可近似为：由上式可得以下结论： 聚结时间与能沉降的最终粒径d

11、有关，水滴直径增大19%，聚结时间约增加1倍。 在其他条件不变的条件下分散相浓度愈大，脱水时间t 愈短。为增加分散相浓度，实践中常把处理器脱出污水回掺至脱水器上游得油水混合物中，以提高脱水效果。絮凝水洗：常使油水混合物进入乳状液处理器的底部水层，使乳状液向上通过水层，由于水的表面张力较大，使原油中的游离水、粒径较大的水滴、盐类和亲水性固体杂质等并入水层的过程。沉降：乳化水滴在原油中的沉降速度很慢，通常处于层流流态，斯托克斯公式。二、化学破乳剂脱水由于原油中的含水，很多情况下，是以乳化状态存在的，并且乳状液具有一定的稳定性，靠一般的沉降方法难以脱除。所以，破乳往往是脱除乳化水的前提。化学破乳剂脱

12、水，就是在乳状液中加入少量的表面活性物质，破坏乳状液的稳定性，使乳状液破乳，进而使乳化水从乳状液中分离出来，变为游离水，再通过重力沉降将其脱除。 （一）破乳剂作用破乳剂较乳化剂够更高的活性，使破乳剂能迅速地穿过乳状液外相分散到油水界面上，替换或中和乳化剂，降低乳化水滴的界面张力和界面膜厚度。破乳剂能消除水滴间的静电斥力，使水滴絮凝。有聚结的作用。能润湿固体，防止固体粉末乳化剂构成的界面膜阻碍水滴聚结。 尽管破乳剂的破乳机理尚不完善，但从长期实践中归纳出两点结论：破乳剂的分子量大于天然乳化剂的分子量才能有效破乳。若把破乳剂用作油水混合物的乳化剂，则生成反相乳状液，即O/W型乳状液。（二）破乳剂类

13、型化学破乳剂的种类很多，通常按分子结构、溶解性能、分子量大小、镶嵌方式、聚合段数、官能团数量等进行分类。按分子结构，可把化学破乳剂分为离子型和非离子型两类。 非离子型破乳剂的优点用量少 不产生沉淀 脱出水中含油少 脱水成本低 非离子型破乳剂的类型水溶性：可配制成任意浓度的水溶液油溶性：净化油的能力比水溶性的高，脱出水含油高混合型：能增加使用的灵活性根据溶解性能，非离子型破乳剂可分为水溶性、油溶性和部分溶解于水、部分溶解于油三类。 水溶性破乳剂，可根据需要配制成任意浓度的水溶液。 油溶性破乳剂的特点是不会被脱出水带走，且随着水的不断脱出，原油中破乳剂的浓度逐渐提高，有利于净化原油水含率的继续下降

14、。 部分溶解于水、部分溶解于油的破乳剂能增加使用的灵活性。（三）破乳剂的选择 采用“瓶实验”法评价各破乳剂的优劣时，一般应考虑破乳剂的以下各项脱水性能。 (1)脱水率 (2)出水速度 (3)油水界面状态 (4)脱出水的含油率 (5)最佳用量 (6)低温脱水性能（四）加剂地点油田操作人员常把化学破乳剂称为“药”。由于破乳剂对原油乳状液有显著的破乳、降粘(见图5-7)作用，因而常把化学破乳剂注入油井的油套环形空间内，利用开采和集输过程中所受到的搅拌，使破乳剂均匀地分散于原油中。实践证明井口加药后带来的好处有： (1)减少石蜡在管壁上的沉积； (2)降低了管路的能量损失； (3)降低了破乳剂用量；

15、(4)提高脱水设备的效能。破乳剂脱水的优缺点 优点1、在系统内较早注入可防止乳状液的形成；2、可在较低温度下脱水，节约燃料，降低原油蒸发体 积损失以及因原油密度增大的经济损失。 缺点1、注入破乳剂剂量过多时，可生成新的、稳定性更高 的乳状液；2、若破乳剂量较大时，仅靠其脱水费用过高。原油脱水对破乳剂的要求一种好的化学破乳剂，应具有以下特点：较强的表面活性。表面活性大，能使化学破乳剂迅速占据油水界面，降低乳化水滴的界面张力和界面膜的强度。良好的润湿能力。润湿能力强，便于吸附在固体粉末上，把砂、粘土等粉尘拉入水相，把石蜡晶粒拉入油相，破环固体粉末界面膜的作用，从而实现破乳的目的。很高的絮凝和聚结能

16、力。絮凝能力强，就能增加水滴碰撞和聚结的几率，提高破乳效果。破乳温度低，成本低，用量少，对金属管路和设备腐蚀性弱，结垢差，对人体无毒、无害，不易燃、易爆，通用性强。一种破乳剂往往难以同时具备以上特点，为取长补短，可将两种或两种以上的破乳剂以一定的比例混合使用，使其脱水效果高于任何一种破乳剂单独使用时的效果。这种现象称为破乳剂的协同效应或复配效应。 三、重力沉降加剂或不加剂的油气水混合物常引入容器，为混合物提供停留时间依靠重力沉降原理进行油水分离。按容器的耐压能力，容器分为耐压的游离水脱除器、压力沉降罐和不耐压的常压沉降罐两类。(一)游离水脱除器游离水脱除器(FWKO)主要用于从高含水油水混合物

17、内脱出游离水，使后续原油脱水设备的负荷减小，节省设备的建设及运行费用，因而游离水脱除器常作为多级脱水工艺的初级脱水设备。游离水脱除器有立式和卧式、两相(油气从一个出口流出)和三相(油气水有各自出口)之分。立式与卧式游离水脱除器各自的优缺点同气液分离器，由于立式脱除器的油水分离效率低，使用量很少，仅适用于空间受限或经常需从脱除器底部清污的场合。脱除器脱出的游离水含油量应小于l000mg/L，原油内含水一般不超过30。入口流体由分流角钢或其他形式的分流件吸收入口流体动量后，气液得到初步分离。液相经开孔防波板后稳定地流过脱除器，依靠重力使油水分层，含油污水经防涡器流出脱除器；原油乳状液和天然气经端部

18、开有槽孔的短管流出脱除器，使容器顶部保持一定高度的气垫。油水界面由加重浮子和出水口的控制阀控制。为提高脱水效率，器内可安装各种控制流体流动方向的导流板和聚结板。 (二)沉降罐沉降罐按其外形分为立式和卧式两种。立式沉降罐不耐压，常用于开式流程，有时辅以大罐抽气等措施，使流程的密闭性得以改善。卧式沉降罐则常用于闭式流程。1.立式沉降罐（常压沉降罐）结构 图5-10(a)是一种适合于基本不含天然气的常压立式沉降罐。 图5-10(b)为西方国家常用的一种沉降罐，与图(a)的主要区别为：罐高度与直径之比较常规油罐大，故称“炮筒”(gun barrel)；有脱气器脱除气体，避免在罐内有气体析出。1油水混合

19、物入口管；2辐射状配液管；3中心集油槽；4原油排出管；5排水管；6虹吸上行管；7虹吸下行管；8液力阀杆；9液力阀柱塞；10排空管；11油水界面浮子；12油面浮子；13配液管中心汇管；14配液管支架 1234567891011121314目前常用的立式原油脱水沉罐这种沉降罐，适合于含气量很少，工作压力接近常压的情况下。工作时，油水混和物经配液管中心汇管通过辐射状配液管进入罐底部的水层内，其中的游离水、破乳后粒径较大的水滴、盐类和亲水固体杂质等在水洗的作用下并入水层；原油及其携带的粒径较小的水滴在密度差的作用下，不断向上运动，且水分不断从油中沉降出来；当原油上升到沉降罐上部液面时，其含水率大为减少

20、，经中心集油槽通过排出管排出。沉降罐底部的污水，经由液力柱塞阀控制高度的上行虹吸管吸至一定高度后，通过下行虹吸管与排水管排出。 辐射状配液管离罐底高度一般为0.50.6m，在管底沿长度方向开有若干小孔，为了在罐截面上进料均匀，开孔的直径从罐中心向罐壁方向逐渐增大。为了充分发挥破乳剂的作用，通常将沉降罐内排出的部分污水回掺到入口管线内，并要求从回掺点流至沉降罐的时间不小于15min。2.油水界面从上述可知，沉降罐内主要依靠水洗段的水洗作用和沉降段的重力沉降作用使油水分离。有些含水原油，水洗脱水效果较为明显，操作时应在罐内保持较高的水层。另一些含水原油沉降脱水效果较为明显，则应适度增加油层高度。油

21、层和水层的高度，即罐内油水界面位置由装在虹吸管顶端的液力阀调节。2.压力沉降罐（卧式沉降罐） 图5-14为卧式耐压沉降罐的结构示意。 (三)重力沉降的优缺点优点：进罐油水混合物一般无需加热，节省燃料；操作简单，要求自控水平低；由于不加热，原油内轻质组分损失少、原油体积和密度变化小。缺点：不适用于气油比大的原油乳状液；罐容及装液后的质量较大，不适用于海洋原油处理；由于污水的腐蚀性，使内壁衬里和牺牲阳极的投资、检查、维护费用较高；由于罐的表面积较大，若油水混合物温度高于环境温度则热损失较大；罐截面面积较大存在截面流动不均、短路流及流动死区。四、加热加热能加速乳状液破乳和油水分离，同时也对原油处理带

22、来了负面影响:加热使原油轻组分挥发，密度增大、体积缩小，还对安全生产带来潜在危险；原油生产成本上升；加热使生产设备增加，除炉子外还需燃料系统及控制用的管系和事故阀等；加热炉火管的局部过热点容易结焦。对加热脱水的原则是：能常温脱水就不要加热，需要加热脱水时尽可能降低加热脱水温度；加热油水混合物前应尽可能脱出游离水，减少无效热能消耗；有废热可利用的场合（如燃气透平废气）应优先利用废热加热乳状液；尽可能一热多用（如加热处理器下游有电脱水器）或将处理器高温出口原油与低温入口原油换热，以节省燃料。(一)加热炉油田使用的加热炉有直接和间接式加热炉两类。直接加热炉的特点是火管(或火箱)直接与受热油水混合物接

23、触，传热效率高、燃料耗量少。直接加热炉的缺点是：传热面受热不均匀，易出现局部过热区，加剧这些区域的腐蚀和结垢；结垢影响传热，甚至堵塞流道；液体流量很小或停流时，将使液体汽化、烧毁受热面而导致事故。直接式加热炉适用于低压、液体流量大而稳定、液体腐蚀性小、不易结垢的场合，并需定期检查和清理受热部件。间接式加热炉火箱的热量通过容器内的水浴(或热媒)间接地传至在管束内流动的原油乳状液。因水浴温度较均匀，乳状液温度总低于水浴温度，故避免了管束的局部过热并减少了盐和水垢的沉积。火箱发生事故时，管束内的油水乳状液不直接和明火接触，安全性较好。火箱、流体管束安装在壳体内，并制成可拆卸式，便于清理、检查和更换。

24、间接式加热炉的缺点是传热效率较低。水套式加热炉（间接）(二)加热处理器集油水混合物加热、脱水和脱气功能于一体的容器称加热处理器。我国现场人员称之为“三合一”设备，即一个容器同时具有加热、脱水、脱气三种功能，它有立式和卧式之分。 立式：脱气段、聚结沉降段、加热水洗段、游离水脱除段等四部分组成。 适用于油田单井井流的处理。卧式：结构与无电极的静电脱水器相同。五、机械处理为克服重力沉降区内流场不均匀，在沉降区加挡板、导流板、聚结介质等改善重力沉降的工作特性，这种方法称机械处理或机械脱水，以机械处理为主的脱水容器称机械聚结器。聚结介质应选用具有亲水憎油性质的材料并提供很大的表面积，促使水滴聚结。大港油

25、田于1980年在滨海原油脱水站试验成功了陶粒聚结床高含水原油脱水器，其结构如图5-6所示。 机械脱水的优点是无需加热，但处理较脏或含蜡原油时容易堵塞聚结材料的流道。原油机械脱水一般不作为独立的处理过程，常与其他脱水方法配合使用。 六、离心脱水由斯托克斯公式可知，水滴的匀速沉降速度和重力加速度成正比，若把乳状液置于离心力场内，水滴所受的离心加速度大于重力加速度，有利于促进水滴的沉降和油水分层。斯托克斯公式七、静电处理 (一)静电脱水脱水的机理静电脱水是指将原油乳状液置于高压直流或交流电场中，由于电场对水滴的作用，削弱了水滴界面膜的强度，促进水滴碰撞，使水滴合并成粒径较大的水滴，在原油中沉降分离出

26、来。水滴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。（1）电泳聚结把原油乳状液置于通电的两个平行电极中，带正电荷的水滴将向负电极运动，带负电荷的水滴将向正电极运动，这种现象称为电泳。由于原油乳状液中的水滴都带有同性电荷，所以将直流电流通入乳状液中的平行电极时，乳状液中的水滴将向相同的方向运动。一方面，水滴在运动中，由于受到原油的阻力而产生拉长变形，并使界面膜机械强度削弱；另一方面，由于水滴大小不等、所带电量不同、运动时受到的阻力不同、在电场中的运动速度不同，使得水滴在运动中发生碰撞、聚结、增大；同时，由于水滴向极性相反的电极区运动，在该电极区附近密集，使水滴在电极附近碰撞聚结的

27、机会增加。这种在电泳过程中发生水滴的碰撞、合并，称为电泳聚结。 （2）偶极聚结诱导偶极：在高压电场中，原油乳状液中的水滴受电场的极化和静电感应作用，使水滴两端带上不同极性的电荷，形成诱导偶极。水滴两端同时受正负电极的吸引，产生拉长变形，水滴的变形削弱了界面膜的机械强度；特别是在水滴两端，界面膜的强度最弱。偶极聚结：原油乳状液中许多两端带电的水滴，在电场中顺电力线的方向排列成“水链”，如下图所示。相邻水滴的正负偶极相互吸引，使水滴相互碰撞，合并。这种聚结方式称为偶极聚结。 （3）振荡聚结在工频交流电场中，两电极间的电压为正弦波形，电场方向每秒改变50次（电流频率为50HZ）。在极间电压为0的l、

28、3、5瞬时处，水滴由界面张力保持球形，在瞬时2、4处极间有负电压和正电压，使水滴拉长。 水滴形状不断地变化削弱了界面膜强度，同时水滴在交流电场内的振动，使水滴碰撞聚结。 观察表明交流电场中破乳作用在整个电场范围内进行，直流电场中破乳主要在电极区附近进行。交流电场内水滴以偶极聚结、振荡聚结为主；直流电场内水滴主要在电极附近区域进行，以电泳聚结为主，偶极聚结为辅。静电脱水的适用条件电法脱水只适宜于油包水型乳状液。因为原油的导电率很小，电极间的电流很小，能建立起脱水所需的电场强度。水包油型乳状液通过极间空间时，由于带有酸碱盐等离子的水是良导体，导致极间电压下降，电流猛增，产生电击穿现象。无法建立极间

29、必要的电场强度。用电法脱水处理水含率较高的油包水型乳状液时，亦易产生电击穿，使脱水器的操作不稳定。因此，在处理中、高水含率原油乳状液时，一般先经游离水脱除器或沉降脱水，使水含率降低后再进入电脱水器进行脱水，称为二段脱水或二级脱水。 （二）脱水器电场脱水器电场基本上有交流、直流和交直流三种形式。大庆油田在类同的原油脱水器上，进行过交流和直流电场脱水效果的对比试验，其测试参数见表5-3。对原油乳状液在电场中破乳过程的观察和表5-3的对比参数中看出：在交流电场中，原油乳状液的脱水以偶极聚结和振荡聚结为主。这两种聚结的脱水效果和原油水含率有关，水含率较高时脱水效果较好，不适宜处理水含率较低的原油。交流电场脱水的缺点：脱水后净化油水含率较高，约为直流电脱水的35倍；交流电的一个周期内只有两个瞬间使电场强度达到最大值，故处理效率和处理量较低；交流电场中水滴容易排列成许多水链使电