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14原油和天然气的净化•储运工程24.1原油的净化4.1.1原油净化的必要性从油井生产出来的油气混合物中经常含有大量的水和泥、砂等机械杂质，特别是在油田的后期生产中，油井出水量可达其产液量的90%以上，泥砂等机械杂质亦多达1～1.5%。据统计，世界各油田所产原油的70～80%需进行脱水。原油和水在油层内运动时，常携带并溶解大量的盐类，如氯化物（氯化钾、氯化钠、氯化镁、氯化钙）、硫酸盐、碳酸盐等。在油田开采初期，原油中含水很少或基本上不含水，这些盐类主要以固体结晶形式悬浮于原油中。进入中、高含水开采期时，则主要溶解于水中。原油中含水、含盐、含泥砂等杂质会给原油的集输和炼制带来很多麻烦和危害。：•储运工程3（l）增大了液流的体积流量，降低了设备和管路的有效利用率，特别是在高含水的情况下更显得突出。（2）增加了输送过程中的动力消耗。由于输液量增加；油水混合物密度增大；而且水还常以微粒水珠存在于原油中，形成粘度较纯原油显著增大的乳状液，使输油离心泵工作性能变坏，泵效降低，动力消耗急剧增大。（3）增加了升温过程中的燃料消耗。原油集输过程中，为满足工艺要求，常对原油加热升温。由于原油含水后输液量增加，而且水的比热约为原油比热的2倍，故在含水原油升温过程中燃料的消耗也将随原油含水量的增加而急剧增大，其中相当一部分热能白白地消耗于水的加热升温，造成燃料的极大浪费。主要是以下几方面：•储运工程4（4）引起金属管路和设备的结垢与腐蚀。当含水原油中碳酸盐含量较高时，会在管路、设备和加热炉的内壁上形成盐垢，减小管路流道面积.降低加热炉的热效率。结垢严重时甚至能堵塞加热炉受热管的流道，造成加热炉爆炸。当地层水中含有氯化镁、氯化钙、氯化铝、氯化钡时，会因水解放出对金属腐蚀性很强的氯化氢。原油中所含的硫化物受热分解，会产生硫化氢，遇到水时硫化氢与铁反应生成硫化亚铁。当有氯化氢存在时，硫化亚铁会再与氯化氢反应，这样交替反应的结果，就会使设备和管路受到强烈腐蚀。另外，原油中所含的泥砂等固体杂质会使泵、管路和其它设备产生激烈的机械磨损。•储运工程5（5）影响原油炼制工作的正常进行。炼厂处理原油的第一个过程是常压蒸馏，原油要被加热到350℃左右。因为水的分子量仅为18，而原油常压蒸馏时气化部分的平均分子量为200～250，单位质量的水气化后的体积比同质量原油气化后形成的体积大十多倍。这样，原油含水不仅会加大塔内气体线速度，影响原油处理规模，严重时还会出现冲塔现象，直接影响蒸馏产品的质量。若原油含水不均匀，还将引起塔内压力的突然升高，甚至造成超压爆炸事故。•储运工程6由于上述种种原因，必须在油田上及时地对含水、含盐、含机械杂质的原油进行净化处理，使之成为合格的商品原油出矿。由于原油中所含的盐类和机械杂质大部分溶解或悬浮于中，原油的脱水过程实际上是降低原油含盐量和机械杂质的过程。SY7513－88《出矿原油技术条件》规定了出矿合格原油的质量含水量。原油进常压蒸馏装置前，还需要进一步脱水、脱盐，国内外较先进的炼厂要求进装置的原油含水不大于0.1%，含盐不大于3～5mg/L。当原油含盐量达不到规定指标时，常先向原油中掺入2～5%（与原油的质量比）的淡水，对原油进行洗涤，使以固体结晶形态存在的盐类溶解于水中，然后再脱水，使原油含盐量降低至允许的范围内。•储运工程7原油与水互不相溶，物理、化学性质均有较大差异。但是，由于原油与水并非简单地混合在一起，而是处于相当稳定的乳状液状态。原油乳状液主要有两种类型：一种是水以极微小颗粒分散于原油中，称为“油包水”型乳状液，用符号W/0表示，此时水是内相或称分散相，油是外相或称连续相；另一种是油以极小颗粒分散于水中，称为“水包油”型乳状液，用O/W表示，此时油是内相水是外相。此外，还有多重乳状液，即油包水包油型、水包油包水型等。原油中所含的水，有的在常温下用简单的沉降法短时间内就能从油中分离出来，这类水称为游离水；有的则很难用沉降法从油中分离，这类水称乳化水，它与原油的混合物称油水乳状液，或不能采用一般的分离方法就能把水从原油中脱出，因而多年来人们研究了多种原油脱水工艺技术。原油脱水的基本方法与原理如下。4.1.2原油脱水的基本方法•储运工程81、沉降分离脱水水滴在原油中的沉降速度受油品粘度、水滴微粒直径等影响，斯托克斯（Stokes）定律描述出了沉降分离的基本规律：oow2w8.1)(du式中—水滴匀速沉降速度，m/s；—水滴直径，m；—原油粘度，Pa·s；—分别为水和油的密度，kg/m3。由公式（4—1）可以看出，沉降速度与原油中水滴直径的平方成正比；与水、油密度差成正比；与原油的粘度成反比。uwdowo、（4—1）•储运工程9以（4－1）公式为指导，人们研究出如下提高油水分离效率的方法：（1）增大水滴直径的方法。如添加化学破乳剂，降低乳状液的稳定性；采用高压电场处理油包水型（W/O）乳状液；利用电磁场对W/O型乳状液进行交变振荡破乳；利用亲水憎油固体材料使W/O型乳状液的水滴在其表面润湿。（2）扩大水、油密度差的方法。如选择合适的温度，使油、水密度差增大；在油气分离过程中，降低压力，使原油中少量的气泡膨胀，密度降低。（3）降低原油粘度的方法。如采用加热的方法，以降低原油粘度；（4）采用旋流分离器，提高油水分离速度。•储运工程102、原油热化学脱水热化学脱水是在一定条件下向原油乳状液中添加化学破乳剂，使其到达原油乳状液的油水界面上，降低界面张力，破坏油水的乳化状态，破乳后的水珠相互聚结并沉降分离。热化学脱水是目前各油田广泛采用原油脱水方法之一。3、原油电脱水原油电脱水是利用高强度电场作用于原油乳状液，削弱水滴界面膜的强度，促进水滴的碰撞，使乳状液的水珠聚结。通过聚结，原油中的水珠相互合并，粒径增大，从原油中沉降分离出来。水滴在电场中聚结的方式主要有三种，即电泳聚结、偶极聚结、振荡聚结。原油乳状液在交流电场中，水滴以偶极聚结和振荡聚结为主；在直流电场中水滴以电脉聚结为主、偶极聚结为辅。原油电脱水方法只适合处理含水率小于30%的油包水型原油乳状液。•储运工程114、润湿聚结破乳脱水润湿聚结破乳脱水主要是采用一种不易为油所润湿而极易为水所润湿的固体材料，利用这种材料的特性使原油中的水珠在固体材料表面上聚结，达到破乳目的。润湿聚结仅对稳定性差的W/O型乳状液的水珠或游离水起作用，采用时必须先向乳状液中添加化学破乳剂，且多用在将高含水原油处理为低含水原油的过程中。每种脱水方法都有各自的特点和适用条件。因此，选用什么原油脱水方法应根据油水性质、含水率、天然乳化剂类型、乳状液分散度和稳定性等因素，通过试验和经济比较确定。在油田生产实践中，经常是综合应用上述脱水方法以求得最好的脱水效果。•储运工程124.1.3原油脱水工艺流程原油脱水工艺流程是根据破坏乳状液的基本原理、方法、影响因素等，结合原油物性及含水率的变化，因地制宜选用一系列设备，并将这些设备按其作用的先后次序用管道有机地连接起来，构成一个生产过程。原油脱水工艺流程的设计要综合考虑油气集输、原油稳定、含油污水处理等工艺过程与之相关的各种因素。例如，把原油脱水装置与稳定装置设置在一起，则有利于充分利用热能，能有效地降低生产过程耗能。原油脱水工艺流程的操作应该具有很好的可靠性和灵活性，确保脱水生产的安全、稳定、高效。原油脱水工艺流程多种多样，根据国内外资料，归纳如下几种作为参考。•储运工程131、热化学脱水工艺流程热化学脱水工艺有开式和闭式流程，至于采用何种工艺流程应结合集输工艺统一考虑。当一段热化学脱水能达到原油质量指标时，应采用热化学沉降脱水法。热化学脱水工艺流程如图4－1所示。图4—1热化学脱水工艺流程1－油井；2—计量站；3—油气分离器；4—加热器；5—水封界面调节器；6—沉降罐；7—净化油缓冲罐；8—输油泵；I—化学破乳剂；II—油、气、水混合物；III—天然气；IV—净化油；V—脱出水；VI—热媒•储运工程14该工艺过程是先向乳状液中添加经过筛选的化学破乳剂，然后利用机泵增压或管路的流动搅拌，使化学破乳剂与乳状液充分混合，乳化状态破坏，然后通过水滴间的接触达到合并，并利用油水比重差使油水分离沉降。•储运工程152、电化学脱水工艺流程所谓原油电化学脱水是指在脱水器之前加入一定量的原油破乳剂，使油包水型乳状液破乳将水释放出来，再经电脱水器将原油含水脱至合格。电化学脱水工艺流程如图4—2所示。输送来的含水原油经分离缓冲、加入原油破乳剂，升压升温后进电脱水器脱水，合格的脱水原油用泵外输，从电脱水器底部放出的污水直接进入污水处理站。此流程适用于处理含水率为20%或20％以下的原油。由于一般电脱水之前都将含水原油升至较高温度（如大庆原油为55℃左右），故此工艺放出的污水温度较高，因而便于处理。•储运工程16图4—2原油电化学脱水流程图1－分离缓冲罐；2－脱水泵；3－加热炉；4－电脱水器；5－缓冲罐；6－外输泵•储运工程173、高含水原油脱水工艺流程当原油含水率上升超过30%，单纯用热化学脱水方法处理含水原油至合格标准，从经济观点如设备、费用等综合衡量，对于我国大部分油田生产的原油是不合理的，且净化油质量不稳定。原油含水超过30％时，电脱水器无法维持正常生产，只有先通过一段热化学脱水，将原油含水降至30％以下，再进入电脱水器进行电脱水，从而保证电脱水器的正常运行。因此，对含水率大于30%的原油脱水都采用热化学（一段脱水）和电化学（二段脱水）相结合的两段脱水工艺流程，如图4—3所示。•储运工程18图4－3原油两段脱水流程图1－分离缓冲罐；2－加药罐；3－加药泵；4－输油泵；5－加热炉；6－沉降脱水缓冲罐；7－脱水泵；9－电脱水器；10－缓冲罐；11－外输泵；12－污水回掺管线•储运工程19含水原油在中转站加破乳剂后，用泵送入脱水转油站进行脱水。在脱水转油站内首先进行热化学沉降脱水，使含水率降到20％以下，再加热升温进行电脱水。已脱水净化的原油经缓冲罐由泵外输，由电脱水器排出的污水回掺至含水原油中，并一起流入沉降缓冲罐。实践证明，这种污水回掺工艺的优点是：（1）由脱水器排出的污水温度比含水原油一般高10～40℃，污水与含水原油直接混合后，使沉降罐内流体温度升高。减少了热能的浪费，提高了沉降脱水的效果。（2）污水掺入含水原油中，提高了水洗效果，有利于原油含盐量的降低。（3）热污水冲洗除砂效果较好。原油中所含的泥砂粒径很小，悬浮在粘度较高的原油中。不易沉降分离出来。用热污水搅拌冲洗有利于砂粒迅速沉降分离。生产实践证明，采用污水回掺前，电脱水器积砂严重，污水回掺后大部分砂子在沉降罐内分出，脱水器的积砂显著减缓。•储运工程20图4—4所示的流程适用于处理原油含水率为60％～30％的原油。图4－4原油三段脱水流程对原油含水率超过60%的脱水工艺可采用三段脱水，即一段预脱除游离水，二段热化学脱水、三段电化学脱水，如图4—4所示。输送来的含水原油，首先经游离水脱除器将游离水脱出来，经此段可使含水率降到50％以下，再加热后进行热化学沉降脱水，经此段可使含水率降至20％，再用泵送至加热炉加热，原油升温后进入电脱水器进行电脱水。•储运工程214.2原油稳定4.2.1原油稳定的必要性和原理1、原油稳定的必要性从地下采出的原油中含有较多的C1～C4组分，在常温常压下，含有C1～C4的正构烷烃是气体，原油在集输与储运过程中，如果流程不密闭，这些组分将蒸发掉，并携带出大量C5以上的组分，造成原油蒸发损耗。在油气集输过程中，为了满足各种工艺要求，需要加热、降压、存放，这就为原油中轻烃的挥发提供了良好的条件。对于未做到密闭的集输流程来说，原油在敞口储罐中的蒸发损耗很大。国内调查表明：对于未经稳定的原油直接进常压储罐，其油气损耗为原油产量的1%～3%，其中储罐的蒸发损耗约占40％左右。•储运工程22为了降低油气集输过程中的原油蒸发损耗，一个有效的方法就是将原油中挥发性强的轻烃比较完全地脱除出来，使原油在常温常压下的蒸气压降低。这就是原油稳定。二十世纪七十年代以后，我国各油田开始重视原油稳定工作，相继建设