三相分离器及矿场集输系统

1、 三相分离器及地面集输系统1油气分离设备 从井中出来的碳氢化合物流体，常常带有一部分液体和固体杂质，如凝析油、游离水或地层水、岩屑粉尘等。这些机械杂质具有很大的危害性，不仅腐蚀设备、仪表、管道，而且还可以堵塞阀门、管线，影响正常生产；也可能造成油气处理厂的塔器化学溶液的污染和液泛等麻烦。因此，从井场来的流体，首先在集气（油）站进行脱除机械杂质的操作，然后再进入输气（油）干线；另外，油、气产品输送到各类用户之前，还需要再次脱除产品中的机械杂质。油气分离设备2从井口出来的流体是 不同的碳氢化合物的复杂混合物。它们具有不同的密度、蒸气压以及其他物理特征。从高温高压储油（气层）出来的 流体，压力和温度

2、要逐渐减低，气体从流体中逸放出来 ，流体的性质发生变化。由于气体的速度，它将夹带液滴；同时液体也将包含气泡。这些物相的物理分离，是油、气生产、加工和处理的基本操作。油气分离设备油气分离设备3分离器可以这样来分类：如果是从整个液流中分离出气体，则称为“两相”分离器；如果还要将液流分离成原油部分（凝析油）和游离水（甘富醇液），则称为“三相分离器”。根据液体流动的方向和安装形式，分离器又可分为卧式的，立式的和球形的等几种。所有分离设备，尽管它们的名称不同，形状也各异，但都是为了一个基本的目的：从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

3、流体等油气分离设备油气分离设备4为实现对油（液）气混合物分离的上述要求，在工程上常采用不同型式和各种设计的分离装置，必须指出，合理的分离器设计是非常重要的，因为在任一设施或生产过程中，分离器通常是初始加工设备。这一过程设备设计得不合理，将限制或减少整个设施的处理能力，同时也达不到所期望的目的和要求。油气分离设备油气分离设备5 油气混合物或气液混合物在分离设备中进行分离时，应当完成四个操作要求（功能）：1）油和气或气和液的基本“相”的分离；2）脱除气相中所夹带的液沫（雾状）；3）脱除液相中所包含的气泡；4）从分离器内分别引走已经分离出来的气相和液相，不允许它们彼此有重新夹带渗混的机会。油气分离设

4、备油气分离设备6 为了实现上述的操作要求，所有类别的分离设备，不管其整个外形或结构如何，都应当包括四个部分1）基本相分离段-当流体从管线进入分离器时，首先通过基本“相”分离段，使流体带有的能量得到控制或消减；2）重力沉降段-使气体和液体的流量能保证流体在分离器内的速度经常在最大的允许线性速度以内，以便它们得到分离和沉降；3）除雾段或聚集段-减少气体的紊流，使气体中夹带的液沫聚集、分离出来；4）液体收集和引出段-使已分离的液（固）和气相不再彼此重新夹带、渗混，将它们分别引走。油气分离设备油气分离设备7油气分离设备两相分离设备的工作过程卧式分离器8 有些直径非常小的液滴，在重力沉降段不容易分离出来

5、。在气体离开分离器以前，它流经一个聚结板或捕雾器。在这个段中，使用翼片、丝网或者薄板等元件来聚结微小的液滴。在气体离开分离器以前，这些小液滴在这个最后的分离过程中被引走。分离器中的压力用压力控制器来保持，压力控制器在感受到分离器中的压力变化以后，就相应地发送一个信号到常开式或常关式压力控制阀，在这里控制流量的办法，使气体在离开分离器的气相空间时，分离器内的压力得以保持。通常，卧式卧式分离器在气液界面最大面积时，液体半满的情况下进行工作。油气分离设备卧式分离器两相分离设备的工作过程9立式分离器油气分离设备两相分离设备的工作过程10立式分离器液体是从侧面进入容器的。如同在卧式分离器一样，在进口挡板

6、处进行初始的预分离。液体向下流到分离器的液体沉降段。液体继续向下流，经过这一段直到液体出口。当液体达到平衡时，气体向着液体流动的反方向流动，最后聚集到气体空间内。液位控制器和液体泄放阀的操作与卧式分离器的操作完全一样。 气体流过进口挡板，然后垂直向上直达气体出口，在重力沉降段，液滴垂直向下降落，与气流方向相反。在气体离开分离器以前，要流经捕雾器，压力和液位的保持与卧式分离器的相同。立式分离器两相分离设备的工作过程11球形分离器油气分离设备两相分离设备的工作过程12球形分离器，同样有四个段。当立式分离器在两封头之间没有圆筒部分的特殊情况时就成球形分离器。从承受压力的观点来看，球形分离器可能是非常

7、有效的。但是由于具有受限制的波动容量和展示出来的制造困难性，它们在油气田设施上通常不被采用球形分离器油气分离设备两相分离设备的工作过程13在处理大产量的气体时，卧式分离器通常效果更大些。在分离器的重力沉降段，液滴垂直于气流方向向下沉降。这样，液滴就更容易从气体连续相中沉降出来。还有在卧式分离器中，因为其气液界面比立式分离器的气液界面要大些，所以，当液体趋于平衡时，从溶液中出来的气泡就比较容易到达气体空间。这样，从纯气体或液体的分离过程来看，卧式分离器将是优先选用的。卧式分离器与立式分离器的比较和选择油气分离设备14在某些情况下就优先选用立式分离器。1、在处理固体颗粒方面，卧式分离器就不如立式分

8、离器那样好。立式分离器的液体排放口可以布置在底部的中心。这样，固体就不会在分离器内堆积起来。但是在生产过程中，它可以继续流到下一个容器内。此时，可以就在这个位置设置一个排污口，这样，当液体在离开具有某种高程的分离器时，固体颗粒可以定期被排走。 在卧式分离器上，有必要沿着分离器的长度设置许多排污口，因为固体质点具有45到60的静止角。排污口必须布置在非常紧靠的区段上，以便排除分离器内的固体质点。油气分离设备卧式分离器与立式分离器的比较和选择152、在实现相同的分离操作时，卧式分离器占地面积要比立式分离器多些。3、卧式分离器具有较小的液体波动容量。当给定一个液面升高变化时，在卧式分离器内，液体的体

9、积增加量将明显地比处理相同流量的立式分离器更大些。然而，由于卧式分离器的几何形状，将使任何高液位的开关装置安装在紧靠正常工作液位的地方（而在立式分离器上，开关装置可以安装在液位控制器所允许的相当高的地方），排液阀就有较多的时间对波动作作出反应。油气分离设备卧式分离器与立式分离器的比较和选择16 立式分离器也有与生产过程无关的某些缺点1）卸压阀和某些控制器在没有特别的扶梯和平台时，可能是难以操作维修的；2）由于高度的限制，分离器在搬动时必须从滑撬上拆卸下来。 对于正常的油气分离，特别是出现乳化、泡沫或高气油比的场合，卧式分离器可能是最经济的。在低气油比的场合，立式分离器工作的最有效。卧式分离器与

10、立式分离器的比较和选择油气分离设备17特殊的分离器旋流分离器离心式分离器油气分离设备18特殊的分离器油气分离设备卧式双筒分离器过滤式分离器19两相分离的理论1、颗粒沉降 为创造有效的分离条件，必须知道颗粒在介质中沉降的规律。在一般情况下，作垂直运动的颗粒可能有下面的三种情况：A）当介质不流动时，推动颗粒运动的力仅仅是重力，此时颗粒沉降的速度随颗粒尺寸D和密度L的增大而增加，与随介质的密度、粘度u的减小而增加。实际上，介质粘度只对微小颗粒的运动有影响。油气分离设备20B）当气流向上流动时，在介质与颗粒都运动的情况下，如果我们考虑颗粒对介质作相对运动，那么就可以不去注意气流的速度。当颗粒在分离器内

11、沉降时，知道颗粒相对于分离器壁的速度是很重要的。因为它是分离效果的标志。如果wv（w-颗粒相对于分离器壁的速度，v-气流速度），则颗粒被气流带走；此时颗粒将以速度w=（w-v）向上运动；当w=v，亦即w=0时，颗粒将成悬浮状态处于气流中；而当wv时，则颗粒将以速度w=w-v向下沉降。两相分离的理论油气分离设备21C）当气体向下流动时，颗粒只向下沉降，此时其沉降速度w=w+v先假定在静止的气流中有一球形颗粒。它受三种力的作用：1）颗粒（液滴）本身的重力G两相分离的理论油气分离设备222）介质给与的阻力R3）浮力A两相分离的理论当颗粒在气流中平衡或作匀速运动时，应有如下条件：G=A+R油气分离设备

12、232、颗粒的大小 分离器的气体分离段的作用是用雾沫脱除器使气体脱尽气体中的雾沫。根据实际的矿场经验，发现100um的微粒可以在气体分离段被脱除，雾沫脱除器不会被侵渍，能够完成脱除直径在10100um颗粒的任务。 在气体分离段，气体负荷设计方程是基于脱除100um的颗粒。油气分离设备两相分离的理论243、停留时间 保证液体和气体在分离器压力下能达到平衡，某种型式的液体存储是必需的。这个定义为“停留时间”或者在假定停止流动的情况下，一个液体分子保留在容器内的平均时间。这样，停留时间就等于容器内存储的液体体积除以液体的流速对于最常应用的情况，发现停留时间为30秒到3分钟就足够了；在原油发泡的情况，

13、停留时间可能需要高达这个数字的四倍。油气分离设备25油气水三相分离器除了油和气之外，油气流中常含有大量的水。水或者是单独存在，或者是与油形成乳状液。在进行油气的集输时，就需将部分游离水脱出。通常采用三相分离器，在脱除油的同时，分出游离水。当油和水以某种程度（强度）混合后，然后令其静置下来，相当干净的一层游离水将出现在底层。这个水层随着时间的增长，将遵循一条曲线来进行，如图，某一个时间以后，范围是从3分钟到20分钟的某个地方，水的高度的变化就可以忽略不计了由于重力沉降所得到的水称为游离水，在处理留下的油和乳化液层之前，将游离水分离走，通常是很有好处的油气分离设备26油气水三相分离器油气分离设备2

14、7流体进入分离器，并冲击到进口挡板上，由于液流的动量突然发生变化，就产生液体和气体的初始预分离，在最常用的设计中，进口挡板包括一个降液器，将液流导向油气界面的下边，到达油水界面的附近。分离器的液体收集段提供足够的时间，以便油和乳化形成的液层或油垫层位于上面；游离水沉降到底部。下图为一个典型的带有界面控制器和堰板的卧式分离器。堰板保持油位，液位控制器保持水位。油则 掠过堰板。堰板下流的油位则由液位控制器来控制。排油阀又由液位控制器来操纵。三相分离设备的工作过程油气分离设备28三相分离设备的工作过程卧式分离器油气分离设备29废水经过位于分离器油堰板上流的喷嘴而流出。界面控制器接受油水界面高度的讯号

15、，然后控制器就将此讯号传送到排水阀，这样就使规定的水量从分离器内流走以保持油水界面稳定在设计的高度。 气体成水平方向流经除雾器而流出，通过压力控制阀来保持分离器内的压力不变。油气界面则根据气液分离的相对重要性可从直径的一半变到直径的75%。最为常见的情况是半满状态。三相分离设备的工作过程卧式分离器油气分离设备30三相分离设备的工作过程卧式分离器油气分离设备31上图为“槽和堰”设计的代替结构，这种结构就不需要液体界面控制器，油和水二者流经堰板；在堰板处液位的控制，是用简单的变位浮子来实现的。油溢过堰板，进到油槽内。而油槽内的液位是由一个能操纵放油阀的液位控制器来控制的。水从油槽下面流过，然后再流

16、过水堰板，这个堰板下流的液位是由一个能操纵放水阀的液位控制器来操纵的。三相分离设备的工作过程卧式分离器油气分离设备32 油堰板的高度控制着分离器内的液位。油堰板和水堰板的高度差控制着由于油、水的相对密度差而形成的油垫层之厚度，这是对分离器操作的关键所作；分离器内的水堰板高度要比油堰板高度足够低，这样就给油垫层厚度提供了充分的油停留时间。如果水堰板过于低，而相对密度之差又不是如预期的那样大，则油垫层厚度的增长可能达到某一位置，使油在油箱下面掠过而从水的出口处流走。通常，油堰板或者水堰板做成可调节的，这样就可以适应油、水相对密度的变化或者流量的变化。三相分离设备的工作过程卧式分离器油气分离设备33

17、为了得到所期望的油垫层高度，水堰板应当放置在低于油堰板一个距离，这个距离可由公式计算 -低于油堰板的距离 -期望的油垫层的高度 -油的密度 -水的密度三相分离设备的工作过程卧式分离器油气分离设备34界面控制具有容易调节的优点，它便于应付油或水的相对密度变化或其流量的变化。然而，应用于重质油或者有大量乳化物或石蜡的场合，可以预想到难于感受到界面的位置，在这种情况下，推荐采用油槽和堰板来控制三相分离设备的工作过程卧式分离器油气分离设备35三相分离设备的工作过程立式分离器如果在生产中，砂粒成为预料的大麻烦问题时，就可以使用具有锥形底部的三相分离器设计。锥体通常具有一个与水平线成45 和60 角度。产

18、出的砂子有粘附在45 壁上的趋势。油气分离设备36三相分离设备的工作过程立式分离器油气分离设备立式分离器通常采用三种不同的控制方法 右图是严格的液位控制。一个正规的位移浮筒用来控制油气界面，并调节一个从存油段内放油的控制阀。另一个界面浮筒用来控制油水界面并调节水的出口控制阀。因为没有使用内部挡板或堰板，这种系统是最容易制造，对付带有砂粒和固体的生产情况为最好。37右图使用一个堰板来控制油-气界面处于一个不变的位置。这就使得在当所有的油上升到油堰板离开分离器之前，水从油中更好地分离，它的缺点是，油箱占据了容器的部分空间并且要多花钱制造。另外，沉积物和砂子可能集积在油箱内，很难排除，以及还需要一个

19、单独的低液位关闭器以防止排油阀开启失效。油气分离设备三相分离设备的工作过程立式分离器38右图使用了两个堰板，这样就取消了一个界面浮筒，油水界面位置是用相对于油堰高度或出口高度的外部水堰板的高度来控制的，这个类似于卧式分离器的油槽和堰板的设计。这种系统的优点是，取消了界面液位控制，缺点是它需要另外的外部管线和空间。油气分离设备立式分离器三相分离设备的工作过程39分离器外壳为内部承受压力的容器。它是一个圆形筒体，其内径及长度的尺寸，根据液体和气体的处理量，以及操作压力和温度等参数来设计确定，两端通常是椭圆形或球形的封头。1、聚结板 聚结板在分离器的大小方面能有某些节约。由于有潜在的堵塞问题，在现有

20、三相分离器或者在空间上受到严重限制场合时，才推荐使用聚结板来扩大工作容量。 2、喷砂嘴和排出口 要排出固体物，需将排砂口打开呈控制状态，然后用泵将高压流体（通常是井产出的地层水）经过喷嘴喷出以搅动固体物质将其冲洗出排出口。喷砂嘴通常设计成具有6m/s的喷嘴出口速度，其目的是在这样的情况下喷出的液流可以较好地覆盖容器底部。 为防止沉积的砂子阻塞排砂口，通常用溜砂槽或排砂沟来覆盖排出口。它们是带有侧面狭缝开口的倒装沟槽。油气分离设备三相分离器的外壳及内部构件401、气体分离2、油/水的沉降 围绕着水中的沉降油滴或在油中的沉降水滴之流动为层流，Stokes定律起支配作用。颗粒的最终速度为： 油气分离

21、设备三相分离的理论413、在油中的水滴尺寸 要预测从油相中必须沉降出来的水滴大小是困难的，除非有可供利用的试验数据或附件油气田的生产数据。从估计油垫层的尺寸能获得良好结果，这样，使500um和更大一些的水滴沉降出来。如果满足这个准则，在下游设备所处理的乳化液，在没有过多的化学处理方案的情况下，应包含少于5%和10%的含水量。4、在水中的油滴尺寸 从公式上看，由于油的粘度远大于水的粘度，一般为水的520倍，故从水中分离油滴要比从油中分离水滴容易些。三相分离的主要目的是为进一步处理加工油液作准备。实际经验表明，三相分离器所产水中的含油量，可以期望在2kg/m3以下。三相分离的理论油气分离设备425

22、、停留时间 需要将某种数量的油加以存储以保证油达到平衡，使闪蒸气逸放出来。还需要存储一些数量的油，以保证游离水有时间聚结成颗粒的大小按照公式来向下沉降。实验或矿场数据，通常使用的停留时间在3分钟到30分钟的范围内，如果没有可供利用的数据，建议在设计时，油的停留时间为10分钟。 类似地，需要储存某种数量的水，以保证包含在水中大量的大油滴有充足的时间聚结，并上升到油水界面。依据实验或矿场数据，通常对水相使用的停留时间在3分钟的范围内。同样如果没有可供使用的数据，推荐设计时水的停留时间为10分钟。三相分离的理论油气分离设备43我国气田上常用的各类型分离器油气分离设备44我国气田上常用的各类型分离器油

23、气分离设备45我国气田上常用的各类型分离器油气分离设备4647484950天然气矿场集输系统天然气矿场集输系统是重要的组成部分；由集输管网、气体净化与加工装置、输气干线、输气支线以及各种用途的场站所组成，是一个统一的、密闭的水动力系统；51站场种类和作用1、井场：一般设于气井附件，从气井出来的天然气，经节流调压后，在分离器中脱除游离水、凝析油及机械杂质，经过计量后送入集气管线。2、集气站：一般是将两口以上的气井用管线分别从井口连接到集气站，在集气站对各气井输送来的天然气分别进行节流、分离、计量后集中输入集气管线。3、压气站：当气田开采后期（或低压气田）当地层压力不能满足生产和输送要求时，需设矿

24、场压气站，将低压天然气增压至工艺要求的压力，然后输送到天然气处理厂或输气干线。天然气矿场集输系统524、天然气处理厂：当天然气中硫化氢、二氧化碳、凝析油等含量和含水量超过管输标准时，则需设置天然气处理厂进行脱硫化氢（二氧化碳）、脱凝析油、脱水，使气体质量达到管输标准。5、调压计量站（配气站）：接收输气管线来气，进站进行除尘，分配气量、调节压力、计量后将气体直接送给用户，或通过城市配气系统送给用户。6、集气管网和输气干线：在矿场内部，将各气井的天然气输送到集气站的输气管道叫做集气管网。从矿场将处理好的天然气输送到远处的用户的输气管道叫输气干线。站场种类和作用天然气矿场集输系统537、清管站：为清

25、除管内铁锈和水等污物以提高管线输送能力，常在集气干线和输气干线设置清管站，通常清管站与调压计量站设计在一起，以便于管理。8、阴极保护站：为防止和延缓埋在土壤内的输气干线的电化学腐蚀，在输气干线上每隔一定距离设置一个阴极保护站。天然气矿场集输系统站场种类和作用54矿场集输系统气田集输流程分为集输系统流程和集输站流程两类一、集输系统流程1.线型管网集输系统流程 该流程适用于气藏面积狭长且井网距离较大的气田，四川卧龙河气田就是采用这种流程2.放射型管网集输系统流程 适用于气田面积较大、井数较多，且地面被几条深沟所分割的气田3.成组型管网集输系统流程 适用于若干口气井相对集中的一些井组的集气，每组井中选一口设置集气站，其余各单井到集气站的采气管线成放射状，亦称多井集气流程4.环型管网集输系统流程 适用于面积较大的方圆形或椭圆形气田，四川威远气田采用此流程天然气矿场集输系统55天然气矿场集输系统制定合理的气田集输流程，必须从气田的地质、地理条件出发，根据国家对产气量的要求和当时的技术条件，并考虑到气田开发的各个阶段。集气管网的压力等级分为1.高压集气：压力在10MPa以上为高压集气；2.中压集气：压力在1.6MPa到10