油气水分离计量Word文档格式.docx
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a．要分离开的各种流体彼此之间是不可溶的。
b．流体彼此间密度不同。
密度是分离力，分离的速度取决于流体之间不同的相对密度。
由于气体和液体之间的相对密度是1∶20，它们之间的分离是迅速的，通常只需几秒钟，但是油与水的相对密度是0.75∶1，因此，他们之间的分离时间相对要长些，通常需要1～2分钟。
气体从液体中分离包括两个阶段：
（1）液体从气体中分离出来。
（2）气体以气泡的状态从液体中分离出来。
根据关系式：
V=
Q——流量V——流体平均速度A——流动面积
对于某一恒定的流量，增加流动面积可降低流动速度。
从关系式：
我们定义停留时间为：
分离器使一定流体以速度V从进口到出口所经历的时间。
要想得到好的分离效果，停留时间应当足够长，以便使各组份彻底分离开。
（三）分离器的工作参数
有三个主要工作参数确定分离器的工作状态：
（1）．分离器的内部压力。
（2）．分离器的内部温度。
（3）．气、液界面。
要获得高效的分离，一旦选择好了工作体积，以上参数必须保持不变，使气、液相达到动态平衡，以便能得到正确的油、气产量值。
1．分离压力：
发生分离的压力是临界压力。
对于生产分离器，调节压力以便能最大限度地获取液态流体。
此压力的确定要从井底样品的PVT分析以及在测试过程中地面取样获得。
在测试过程中，分离器内的液气两相的临界压力是不知道的，它由操作者根据测试情况确定，确定的原则应是使得最少量的液体被气体带走。
分离器内的压力主要是由气体提供的，我们设想分离器内有体积为Vg的气体，初始压力为P0，井口流往分离器内部的气体产量为Qin，从分离器出口的流量为Qout。
根据质量速率定义有：
min，mout进出口的质量。
假如，Qin=Qout那么进入分离器的气体质量等于其出来的质量，结果是在容器内部气体没有增加数量并且压力保持一定。
然而Qin和Qout并不平衡。
分离器内部气体的总量将发生变化，因此，压力将按下式发生变化。
P十PO＝（Δm十MO）
Δm=min－mout
MO＝容器内初始气体质量。
R＝气体常数。
Z＝压缩系数。
T＝气体绝对温度。
m＝气体分子量。
因为Qin取决于井的流动状况，它是不恒定的，因此，要保证分离器的压力不变，必须调节Qout，以接近于Qin的变化。
Qout可通过气体出口管线上的控制阀调节，该阀可以响应于分离器压力的任何变化而自动调节，当压力趋于下降时（因为Qin＜Qout），此控制阀可关闭，以降低Qout；
当压力升高时，则反之。
（1）分离器的压力调节
分离器的压力调节需在一定的范围内进行，通常要确定此范围的上、下限。
a．上限PM
确定分离器工作的上限，应考虑以下两个方面的条件：
第一、PM应当小于分离器工作压力的80%以避免意外地打开安全阀（其压力设计为分离器工作压力的90%）。
第二、需要考虑地面油嘴内的“临界流动状态”，PM应小于油嘴上游压力的50%，PM的选择应是二者之间的较小值。
6．下限Pm
分离器最小压力必须能够使分离器内的油从分离器的出口排出。
因此，Pm取决于出油管线的安装情况，如果油直接排入油池或油罐，Pm可以低些，只需克服流动阻力。
如果油必须流经燃烧器，操作者必须考虑有足够的压力Pm，以便油能在燃烧器燃烧完全。
注意较低的分离器压力可导致较多的气体从油中游离出来。
如果油中发生气泡，压力应当增加，以便减少油中的气泡，另外，如果油输送到油罐时，从原油中产生的气应保持到最小限度。
为此应降低分离器的压力。
（2）分离器的液面：
分离器内部的油气界面应当保持不变，以保证稳定的分离状态。
油气界面的变化，可导致容器内部气体和液体体积的变化，从而影响两种液体的速度和停留时间。
分离器内部气量随压力而变化，液量随液面而变化。
实际上液体不可压缩，容器内液体量的任何变化都要导致流体体积的变化，因此，液面也要变化。
油气界面的控制可通过一个自动控制阀来完成，此阀在液体出口。
对于三相分离器，油水界面也要调整，此界面应保持一定。
它可以通过装于水出口管线上的一常关的自动控制阀来完成。
（3）液面调节：
液、气界面的初始调节基本上依据井中产物的气油比，（GOR）气油比越高，液面应调低些。
注：
先把液面调到整个液面范围的一半，进一步调节应从提高分离效果出发。
二、分离器的类型和内部结构
三相分离器按主体容器的外形可分为卧式、立式和球形三种类型。
按其内部构造、分离原理和油水界面控制方式的不同可分为挡板式、循环式、内旋式、离心式和旋风式几种。
我们在这里主要介绍前四种。
（一）卧式、立式和球形三种分离器的对比
通常中途测试地面油气计量装置多采用卧式三相分离器，如图9—1所示，在许多情况下卧式优于立式，分离器的分离效果主要取决于原油物性、处理量、原油比重，流体压力，原油起泡趋势，温度和流体含杂质量。
由于各探区油气井的采液量、气量、气液比及上述诸因素很难预测，因此我们通常要选用气液处理量的范围宽、适应性强的卧式三相分离器，采用卧式的比采用立式的效率高，这是因为卧式分离器的沉降部分中，液滴的沉降方向与气流方向垂直，与立式相比具有沉降路程短、液滴易于从气体连续相中沉降下来等优点，因此在处理含气量大的流体时，卧式比立式有效；
另一方面卧式三相分离器的油水、油气界面面积大，当三相
分离器的内部压力接近平衡时，从液中逸出的气体更易于进入到容器上部空间使气液分离。
卧式三相分离器内水的沉降与油脱水的缓冲沉降面积也明显比立式的大，这对于三相分离器内油水的分离也是非常重要的，卧式三相分离器的缺点是占地面积大，由于其容器底部要开若干个排污口来排放沉砂和杂质，所以卧式在处理固体含量较高的原油时不如立式的。
在处理固体含量较高的原油时，立式优于卧式，在立式三相分离器中如图9—2所示，排污口在容器的底部还可以做成锥形，有的还可以装除砂器使流体内的沉砂易于从分离器中排出，另外立式三相分离器还容易控制液面。
流体重新雾化的可能性小，占地面积小。
其缺点是安装困难，顶部的安全阀及某些控制元件保养困难，因其为立式结构，给运输也带来了困难。
球形三相分离器如图9—3所示，是一种两头没有外壳的特殊类型的立式三相分离器，从保持压力的观点来讲是一种高效三相分离器，但因其液体缓冲能力有限和制造上的困难。
目前在油田生产中很少采用。
（二）卧式三相分离器的类型
根据分离器内部构造和分离原理的不同，卧式三相分离器又可以分为挡板式和内旋式两种。
2·
1挡板式三相分离器
目前，国外油田的卧式三相分离器多为挡板式，国内油田应用于中途测试地面计量装置的同类三相分离器也多为挡板式的，下面介绍几种卧式挡板三相分离器。
1·
1装有界面控制器和挡板的三相分离器
如图9－1所示，就是装有界面控制器和挡板的典型卧式三相分离器的简图。
其中挡板可保持油面，界面控制器保持水面，油从挡板上面溢出进入油室，挡板下游的油面由液面控制器控制，该液面控制器是用来操纵排油阀开关的。
产出的水从容器挡板的上游节流阀流出，界面控制器对油水界面高度很敏感，该控制器用来驱动排水阀使一定量的水排出容器。
从而将油水界面的高度保持在规定的位置。
气体水平地流过容器，通过除雾器后进入压力控制阀流出来。
该压力控制阀可起到保持容器内压力不变的作用。
2油槽和挡板结构的三相分离器
如图9－4所示的分离器就是采用油槽和挡板结构的卧式三相分离器，该装置可以不需要液体界面控制器，油和水都各自从挡板上面溢出而分别进入油室和水室。
在挡板处的液面由简单的平衡浮子控制，油自挡油板上面溢进油室，油室中的油面由油位控制器操纵排油阀进行控制、水从油室下面流过，然后溢过其挡板进入水室，挡板下游的液面由水位控制器操纵排水阀进行控制，如果原油中含蜡或存在大量乳化液时，这两者对界面控制器影响很大，因此在遇到该情况时采用这种类型的三相分离器比较理想。
挡油板的高度可控制容器内的液面高度，由于油和水存在比重差，所以油水挡板的不同高度可控制油垫的厚度，在油水分离过程中，油水挡板的高差是关键因素，挡油板要充分高于挡水板，这样油垫较厚可为油提供足够的停留时间，以便使油水分离的更彻底，如果挡水板太低，而油水比重差又没有预料的大，油垫会逐渐增厚，致使油从油室下面流过，溢过挡水板而从排水口流出，通常把挡油板或挡水板做成可调的，因此在油水比重差或流量改变时，可以根据情况进行挡板高度的调节，从而避免了以上现象的发生。
3挡板可自动调节的三相分离器
如图9－5所示为挡水板可自动调节的卧式三相分离器，这种分离器有四个分隔室：
乳化液室、油室、游离水室和水室，固定的挡油板把乳化液室和油室隔开，可自动调节的挡水板把游离水室和水室隔开。
从油、气井喷出的流体进入三相分离器的乳化液室进行气液分离，分离出的气体直接从出气口排出，游离油收集在乳化液室上部，游离水在重力的作用下降至乳化液室下部，中间水平过渡带的乳化液把游离水和游离油隔开，游离油经挡油板溢入油室，游离水经油室下部进入游离水室，然后从可调的挡水板溢入水室，显然，要想取得油水分离的好效果，油水挡板的相对高度要调节适当，否则会发生油水互相串流和缩短乳化液停留时间等一些不良现象。
这种分离器的挡水板可自动调节，因此可使乳化液室中的油水界面基本保持稳定，油水界面中有乳化液——游离水界面和游离油——乳化液界面两种类型，通过油水界面处的浮子检测界面和相应地调节挡水板的高度，来选择和保持乳化液室中界面的高度，浮子装在乳化液室水——乳化液界面处，通过浮子的变化来操纵控制器即可对挡水板的高度进行控制调节，使其液面基本保持在一个稳定的位置，因此当游离水增加时，挡水板便可降低，使水的排量增加，水位又恢复到其控制位置。
这种分离器可以适用于流速、流体密度和油、气、水相对含量大范围变化的生产条件，并可以提高计量精度。
2内旋式三相分离器
如图9－6所示为内旋式三相分离器，该分离器是PORTA——TEST公司的专利品，它的入口分流器设计新颖独特，当流体进入分离器后，先以切线方向进入内旋式分离器内，并使气流沿其内壁旋转，给液体以最大的离心力，其中分离出的大部分气体则聚合在分流器的中心位置，通过顶部的排气口排出，由于在分流器内气体对流体的驱动力的消失及内旋半径的增大，液体和未被分离出来的剩余气体继续绕着内壁逐渐放慢速度前进，这样液体便会以平稳的流态，流到气液界面上，这样将减少气液界面上泡沫的产生和气体重新进入液体里的现象，入口的方向和分流器的平滑性消除了分离器内流体的强烈搅动，和气液的互相干搅现象。
这种分离器利用离心力把液体从气体中分离开来，起到了最大的气液分离作用，当气体进入容器内，通过降低流速，使气体和液体在油气界面上避免了干搅，从而减少了泡沫的形成和液体再次夹带气体的现象。
该分离器的优点是：
气液分离程度高；
减少气液界面上泡沫的形成和液体再次夹带气体的现象；
减少了分离所需停留的时间；
减少了容器的尺寸，但它对流速很敏感，需要的压力降较大，因此只适用于产量大压力高的油气井。
（三）立式三相分离器的类型
根据其内部结构和分离原理的不同，立式三相分离器又可分为档板式、离心式和循环式三种。
3·
1挡板式三相分离器图9－2是一个典型的挡板式立式三相分离器的示意图，当流体进入容器时，进口折流器将大部分气体从液体中分离出来，有一个穿过油气界面的下导管输送液体，不至于影响刮油作用，用一个气管来平衡气室和其下面部分之间的气体压力。
下导管出口在油水界面处。
从该点起，当油上升时，束缚在油相中的自由水由于重力作用而向下落，于是油水就分离出来。
漂浮在油水界面上的原油溢过挡板流入油室通过出油口排出，天然气直接上升通过除雾器从出气口排出。
图9一7所示的是带有浮子液面控制器的挡板式立式三相分离器。
分离器内装有一挡油板使油气界面固定在某一位置，油室内的油气界面由一个可调浮子进行控制，油在流出容器之前，必须升到挡油板高度溢过挡油板进入油室从出油口排出，用界面浮子控制油水界面并通过控制器调节排水阀排水，使油水界面保持在规定位置，这种分离器结构简单，油水分离效果较好，缺点是油室占去容器空间，并且油室内可能存集一些沉积物和固体而不易排出。
2离心式立式三相分离器
2·
1离心重力式三相分离器
如图9一8所示为离心重力式三相分离器，该分离器上部为伞状结构，称之为分离伞，地层流体以切线方向进入分离器后，受比重差和容积增大的影响，油、气会自然分离，未分离的油、气沿着分离器的内壁作离心式旋转运动，于是质量大的油液被甩向筒壁，质量小的气体则集中在中心作回旋运动。
回旋上升和两层分离的隔板接触时，气流中的雾状油滴粘附在伞表面，沿伞面下滴，气体从出气口排出，散油帽使分离后的油沿内壁往下流。
由于水的比重比油大，因此水降到最底层从排水口流出，油浮在上面从排油口流出。
这种分离器的结构简单，制造容易，成本低，但因缺乏压力和液面的控制装置而使得分离效果差些。
许多立式分离器采用复杂的活动件，因此动力速度必须控制在最佳状态，原油的温度和压力需保持在调节范围内才能保证其分离效果，另外，清除设备内的沉积也需要一定的人力，而图9一9所示的离心式立式三相分离器就克服了以上的缺点。
这种分离器分离室有两个同心环室和一内管，流体入口在外环形室的上部、内环形室上端密封下端是流体出口，整个外环形室为螺旋形通过，下端装有封堵装置用来排出固体和使油气混合物进入内环形室，内环形室中一系列接触盘使油气分离，油从底部排出，气从内管中排出。
这种立式离心式三相分离器的特点是：
可装在封闭原油管线系统上，在原油管线的压力下有效运行；
没有活动件，结构简单牢固；
易于制造，安装和运行；
使用寿命长；
可连续把地层流体分离为油、气、水和固体；
可自动清洗和除砂；
不需要备用分离设备，运行不受原油温度影响。
3·
3Porta一Test循环式三相分离器
如图9一10所示为PORTA一TEST公司生产的循环式分离器，该分离器是有两级有效的分离，在第一级中（也就是地层流体先进入常规离心式分离器），液流以切线方向进入分离器，并在离心力作用下使气体从液体中旋转出来而被收集进入气管道，但这时进入气管道内的气体仍然是湿气，这种未被分离干净的湿气使其进入第二级分离器（即循环分离器），这时湿气气流将通过切线方向式入口的喷嘴进入分离器，环绕着入口室旋转，旋转的湿气流在平滑的挡板和分离器内壳之间运动进入涡旋室，旋转气流中的液滴由于离心力作用被甩出并附在涡旋室的内壁上，然后向下通过挡板落入液体室在那里被排出，在涡旋室里旋转的气流伴随着离心速率的增加聚向中心，然后进入涡旋定向管，在定向管内残留的液滴将被收集在内壁上，旋转的湿气通过内管缺口间隙时，将把液滴从其缺口带出，向下流进再循环管线，并通过挡板的中心孔进入涡旋室，这样通过挡板上的孔进入到了涡旋室里的再循环液体和旋流气体同在涡旋室中心飞速旋转的气体混合了并一起旋转，使其液体再次被甩到容器内壁上连同其它的液体一起沿着容器内壁流进了液体收集室，这样比较干净的气体就可以连续向上通过涡旋定向管，从缺口间隙旁通流过到达气体出口，这种分离器适用于高压高产气井。
三、卧式三相分离器内部结构和工作原理
如图9——11所示为典型的卧式二相分离器内部结构示意图。
1．内部结构：
其内部主要部件包括：
入口分流器、消泡器、聚结板、稳流器、吸雾器等。
1·
1入口分流器：
图9——12为两种广泛采用的入口分流器的基本型式，第一种是折向挡板，它可以是一个球状盘、平板、角铁栅、圆锥或任何能够突然改变液流方向和速度的结构，折向挡板主要由支承结构来承受流体的冲击，半球状或圆锥状挡板与平板或角铁栅挡板相比的优点是故障少，减少了液体重新带走气体的问题和乳化问题。
图9——12所示的第二种装置是旋流进口，它依靠离心力使油气分离，旋流进口可以是旋流筒也可以是在侧壁采用切线流道，大部分都使用一个进口喷嘴以提高流体压力和流速，它可使通过旋流筒的液体速度大约达到6.1米／秒，旋流筒直径是容器直径的三分之二。
l·
2聚结板：
如图9——13a所示为一组蛇状瓦楞式聚结板，当从进口分流器冲过来的未被分离干净的气液混合流体进入这一组聚结板内时，气体中的液滴碰撞到聚结板上，进一步被粉碎和分离，并且由于通过聚结板之间的流速可提高近40%，高速液流与板壁相碰，得到较彻底的分离，分离出的液滴聚集在聚结板上，沿着聚结板壁向下沉入液体段，同时，处于油气界面上的一层未从油中逸出的气体形式的气泡，在通过聚结板时，也会因流速的增加，而撞在聚结板壁上破碎，气体便从泡沫中逸出上升，所以该装置不但能从油中除去泡沫，并能从泡沫中除气效果更佳。
如图9—13b所示为蜂窝状聚结板，该装置用于气液分离效果较好，其曲折的流路使含在气体中的液滴撞到斜板的表面上，于是在重力的作用下液体便呈液滴聚结并落下，气体上升，在气液分离方面，其效率和原理与蛇状瓦楞式聚结板差不多，它的优点是油气分离效果好，并且能消除油中的泡沫。
1.3消泡器：
该装置应用于长的卧式三相分离器中，不但能起到消泡作用而且还能起到防止液体波动的作用，它就是简单地横跨在气——液界面上并与流动方向垂直的网状挡板，当气泡逸出液体时，油气界面上很可能出现大量泡沫，在分离器入口处加一些化学处理剂可使气泡消失，但较为有效而且更经济的解决办法是迫使其泡沫通过该网状结构的挡板，使泡沫撞击在网状挡板上破碎聚结，使其中的气体分离出来，其上部有一部分液滴的气体在通过消泡器时，也会使其中的液滴与网板碰撞聚结成大液滴而在重力作用下沉落到液体收集部分，同时它亦可以起到消除容器内由于压力和流量的变化而引起的液体波动，从而使液面稳定，减少了干扰。
4稳流器：
如图9——14所示，稳流器又叫涡流消除器，它是由一块十字交叉的钢板，焊接在油和水的内部出口处，其目的是消除液体控制阀突然打开时，在液体出口处所产主的涡流流态，而涡流的产生能抽吸油气界面上的气体或抽吸油水界面上的原油，并把气体或原油分别从出油口夹带出去，因此该装置可避免上述现象的发生，它结构简单，但作用较大。
除雾器：
9——15为三种最普遍的除雾装置：
金属网填料、拱板和叶片，金属网填料为圆柱体形，由不锈钢丝编织物绕制而成，液滴撞击金属网并聚结而往下沉降，从而消除了气体夹带液滴排出，金属网的聚结效率在很大程度上取决于气体是否处于合适的流速范围内，如果流速太高，含在气体中的一部分微小液滴会由于来不及与金属网相碰撞而被重新夹带出去；
如果流速太低，气体中的液滴也会在无撞击和聚结情况下通过金属网，而起不到作用。
叶片除雾器可迫使通过蛇状瓦楞板之间的气流改变方向，使夹带在气体小的微小液滴撞击在金属板表面聚结并降落到液体收集部分，叶片除雾器是由几张相互平行的曲折钢片所组成。
拱板除雾器是由波纹状同心圆筒排列而成的，气体夹带的微小液滴可撞击波纹板并聚结。
2、工作原理
如图9－11所示，地层流体进入三相分离器，首先碰到入口分流器，使流体的冲击量突然改变，流体被粉碎，使液体与气体得到初步分离，气体从液体中逸出并上升，液体下沉至容器的下部，但仍有一部分未被分离出的液滴被气体夹带着向前进入蛇状瓦楞式（或蜂窝状）聚结板内，使其动能再次降低而得到进一步分离，由于通过聚结板之后，气体的流速可提高近40%，气体中夹带的液滴以高速与板壁相撞，使其聚结效率大大提高，于是聚结的液滴便在重力作用下降到收集液体的容器底部，液体收集部分为液体中所携带的气体从油中逸出提供了必要的滞留时间。
夹带大量液滴的气体通过聚结板进一步分离后，夹带有小部分液滴的气体在排出容器之前，还要经过消泡器和除雾器，消泡器可使夹带在气体中的液滴重新聚结落下，从而使气体净化；
气体出口处的除雾器同样也起到了使夹带在气体中更微小不易分离出的液滴与其发生碰撞而聚结沉降下来的作用，因此，气体通过这两个部件后，便可得到更进一步的净化，使其成为干气，而从出气口排出，排气管线上设有一个气控阀来控制气体排放量，以维持容器内所需的压力。
分离器内的集液部分使液体在容器内有足够的停留时间，一般油与水的相对密度为0.75∶1，油水之间的分离所需停留时间为1——2分钟，在重力作用下，由于油水比重差，自由水沉到容器底部，油浮来上面，以便使油和乳状液在其顶部形成一个较纯净的“油垫”层。
浮子式油水界面调控器保持水面稳定；
随着“油垫”增高，当油液面高于油水挡板时，溢过油水挡板流入油室，油室内的油面由浮子式液面调控器控制，该调控器可通过操纵排油阀控制原油排放量，以保持油面的稳定。
分离出的游离水，从容器底部油挡板上游的出水口，通过油水界面调控器操纵的排水阀排出，以保持油水界面的稳定。
四、三相分离器的压力调节及油水界面控制
油水界面控制和三相分离器压力的检测调控是油、气、水三相分离计量中的关键问题，也是比较难对付的问题，尤其是原油的相对密度较大，乳化比较严重和流速不稳时，这个问题就更难解决了，当流体进入分离器后，由于进口流体流速的波动，使其容器内压亦会随之变化，液体收集部分液面便会产生不稳定的波浪，涡流等流态，使油气产生干搅现象，这样往往会使已经分离出来的气体又重新夹带到液体中而导致恶性循环，因此，当地层流体进入分离器后，首先要调节压力控制器，使容器内的压力稳定，从而使液面处于平稳状态,然后，当油气界面升到分离器的1／2或3／4处（从容器底部起）时，再调节油水界面控制器和油面控制器，它们分别操纵排水阀和排油阀来控制水和油的排放量，使其液面保持稳定，这样才达到了油气计量的条件，下面就三相分离器压力调节和油水界面的调控作一介绍。
1．三相分离器的压力调节
三相分离器的压力调节系统通常由压力调节器和气动控制阀两部分组成，国外用于三相分离器上的压力调节器大部是由Fisher公司生产的，它有许多型号，但其工作原理部基本相同，这里着重对4150K型压力控制器作一介绍。
图9——16所示为4150K型压力控制器的工作原理图，该系统是一个压力的转换与平衡机构，它是由两个大小不同的隔膜通过供气压的转换操纵替换阀，从而使整个控制系统内的压力产生变化来操纵气控阀，压力转换室中的替换阀是相连的，恒压气源（气压一般是0.14Mpa~0.27Mpa）供气给气压替换室的同时也通过节流阀供气给背压室，然后气体通过背压室从气体喷咀喷出，并且该气压对大隔膜也产生了一定的压力作用。
气控阀下游的传感压力作用在波登管内，因而随着传感压力的变化波登管亦随之产生相应的波动，于是与波登管相连的杠杆舌片发生上下搅动，则舌片与喷咀之间的距离亦产生了变化，致使喷咀排泄出的气体阻力改变。
当气动控制阀下游的传感压力升高即控制阀开启过大，排出的流速过快，或分离器压力降低时，波登管便会膨胀，使杠杆舌片向上
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