原油处理

第五章原油处理

概述

本章主要讲述了原油处理的目的、油气分离方式和操作条件的选择、油气两相分离器、油气水三相分离器和特殊用途的分离器等方面的知识。通过本章的学习，使学员能了解分离方式的选择对油田生产的影响，掌握分离器的结构、原理和设计方法，并且对特殊应用场合的分离器也有一个粗略的了解。

第一节原油乳状液

本节主要介绍原油乳状液类型、乳状液生成机理、乳状液的性质以及在石油生产中原油乳状液的生成和预防等知识。通过本节的学习，我们应该掌握原油乳状液类型及其生成机理，石油生产中原油乳状液的预防措施。另外，也需对乳状液的性质、产生乳状液的原因有所了解。原油中所含的水分，有的在常温下用静止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出来，这类水称为乳化水，它与原油的混合物称油水乳状液，或原油乳状液。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。

知识点1：本节主要介绍原油乳状液类型、乳状液生成机理、乳状液的性质以及在石油生产中原油乳状液的生成和预防等知识。

知识点2：界面能和界面张力

图表面能

上图表示某纯液体与饱和了本身蒸气的空气相接触，接触表面为MN。从图中可以看出，表层分子有流入液体内层的趋势，即在不平衡力场下液体表面有自动缩小的趋势。欲使液体

内层分子移到表面上来，扩大液体的表面，就必须对系统作功以克服分子所受的指向液体内部的拉力。所作的功储存于表层，成为表层分子的位能，故液体表层分子比内部分子多储存一部分能量，这种能量称表面自由能，或表面能。在恒温、恒压条件下，液体表面积每增大一个单位所增加的表面能称为比表面能，以表示，其单位为J/m2或N/m。在数值上，比表面能等于在液体表面上垂直作用于单位长度线段上的表面紧缩力，即表面张力。

两种液体相接触时，表面能与表面张力称为界面能和界面张力。由于液体分子间距远小于气体分子间距，两种液体分界面上的界面张力总小于这两种液体分别与空气接触时表面张力中的最大值。

根据热力学第二定律，在恒温、恒压下，物系都有自动向自由能减小方向进行的趋势。当油水形成乳状液时，其接触界面和界面能都很大，从热力学观点看，乳状液是一种不稳定物系，分散相液滴必然会自发地合并，缩小界面面积使界面能趋向最低。因而，生成稳定乳状液必须有第三种物质存在，即需有乳化剂存在。

知识点3：乳化剂

图表面张力与溶液浓度关系

当水中溶有其他物质后，溶质种类和它在水溶液中的浓度对水溶液表面张力的影响可分为三种类型，如上图所示。曲线1表明，在水中逐渐加入某溶质时，溶液的表面张力随溶液浓度的增加稍有升高。曲线2表明，溶液表面张力随溶液浓度的增加而降低。曲线3表示在水中加入少量某种溶质时，溶液表面张力急剧下降，至某一浓度之后，溶液表面张力几乎不随溶液浓度的增加而变化。凡是能使溶液表面张力升高的物质，称表面惰性物质；使溶液表面张力降低的物质称为表面活性物质，或表面活性剂。表面活性剂降低表面张力的能力称表面活性，或表面活度。

大量实验证明，加入的溶质并非均匀地分布于溶剂内。当溶质能降低溶液的表面张力时，溶质会富集于表层内，力求最大程度地降低表面张力，以符合物系吉布斯(Gibbs)自由能最低的要求。反之，溶质使表面张力升高时，它在表层中的浓度比在内部的浓度低。这种表层与溶液内浓度不同的现象叫吸附。表层浓度大于溶液内浓度的吸附称正吸附；反之，称负吸附。显然，表面活性剂引起的是正吸附，表面惰性物质引起的是负吸附。

从分子结构观点来看，表面活性剂的分子都同时含有亲水极性基团和憎水非极性基团。当活性剂分子被吸附于油水界面上替代了原有的液体分子时，按极性相似规则其极性部分被极性很强的水分子吸引，有竭力钻入水内的趋势，而非极性部分被非极性分子吸引，力求进入油相。当表面活性剂浓度不大、活性剂分子未占满油水界面时，随活性剂浓度增加，界面上活性剂分子数增加，油水界面张力成比例下降。当活性物质浓度达到饱和吸附值，即全部油水界面被活性剂分子占有时，油水界面张力几乎不再随活性剂浓度的增加而下降，如上图中曲线3所示。

活性剂分子的极性部分虽与水分子极性相近，但它与水分子的吸引力比水分子之间的吸引力小，这样就减弱了水对界面层分子的吸引力。活性剂的非极性部分与油相分子的吸引力主要靠弥散力，其大小与分子量成正比。由于活性剂分子量一般很大，因而增强了油相对界

面分子的吸引力。这样，使界面分子所受的合力减小，界面张力降低。

表面活性剂吸附在油-水界面上形成吸附层，使：油水界面的界面张力下降，减少了剪切水相变为小水滴所需的能量，也减小了能使水滴聚结、合并的表面能，使乳状液的稳定性增加。表面活性剂降低界面张力的效果十分显著，在水包油乳状液中加不到1％的活性剂，能使油滴的界面张力由35mN/m降为0.35mN/m；若表面活性剂吸附层具有凝胶状弹性结构，在分散相液滴周围形成坚固并带韧性的薄膜，能有效地阻止水滴在碰撞中聚结、合并、沉降，使乳状液变得稳定；若表面活性剂为极性分子，排列在水滴界面上形成电荷，使水滴相互排斥，阻止水滴合并沉降，使乳状液稳定。

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、砂粒等亦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。

知识点4:

粒径的大小还表示乳状液受搅拌的强烈程度，通过泵、阀和其他节流件搅动后，乳状液分散相粒径减小。

原油内的天然乳化剂大体可分为三类：

① 低分子有机物，如脂肪酸、环烷酸和某些低分子胶质，有较强表面活性易在内相颗粒界面形成界面膜。但由于分子量小，界面膜强度不高，所形成乳状液的稳定性较低。

② 高分子有机物，如沥青质和高熔点石蜡等，在内相颗粒界面形成较厚的、粘性和弹性较高的凝胶状界面膜，机械强度很高，使乳状液有较高的稳定性。

③ 粘土、砂粒和固体乳化剂构成界面膜的机械强度很高，因而乳状液的稳定性也很高。

知识点5：老化的原因

乳状液形成时间愈长，由于原油轻组分挥发、氧化、光解等作用，使乳化剂数量增加，同时原油内存在的天然乳化剂也有足够时间运移至分散相颗粒表面形成较厚的界面膜使乳状液稳定，乳状液的这种性质称为老化。在乳状液形成初期，乳状液的老化速度较快，随后逐渐减弱，常在一昼夜后乳状液的稳定性就趋于不变。轻质原油的老化过程较重质原油快，老化了的乳状液称老化乳状液。

知识点6:

乳状液内相颗粒界面上力场的不平衡，会选择性地从外相介质中吸附阳离子或阴离子以降低界面张力。这样，内相颗粒界面上带有同种电荷，而贴近颗粒的外相介质内则带有极性相反的电荷。或者，处于内相颗粒界面上的分子电离，电离后的阳离子或阴离子分布到邻近颗粒的外相介质中去。或者，由于内相颗粒在外相介质中的布朗运动，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，如下图所示。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，使乳状液变得稳定与水含率高的原油乳状液相比，水含率低的原油乳状液的内相颗粒界面带电对稳定性的影响更为明显。