【力学科普】石油开采中的“三晋分家”—

【力学科普】石油开采中的“三晋分家”——油气水分离
2017/11/20 9:26:42 中科院力学所

石油“三晋分家”—油气水分离

     沈括曾在《梦溪笔谈》里写道：“鄜、延境内有石油，旧说‘高奴县出脂水’，即此也。生于水际，砂石与泉水相杂，惘惘而出，土人以雉尾挹之，乃采入缶中。颇似淳漆，然之如麻，但烟甚浓，所沾帷幕皆黑。”其中的“砂石与泉水相杂”道出了，石油的涌出是以混合液的形式。

     科学家指出，从油藏丰富的地下抽出的产出液，通常都是不同分子质量的烃组分、水以及其他杂质组成的混合液。在常温常压下，相对分子质量较大的烃组分形成的混合物呈液态，通常称为原油(石油)。而相对分子质量较小的烃组分形成的混合物呈气态，通常称为天然气。在油藏的高温、高压条件下，天然气溶解在原油中，以纯液态形式在。

     换一句话说，石油在开采过程中不光有油，同时还有较大的含水量和天然气量(可能会携带出一定量的泥沙)，要得到炼油厂使用的原油和用户使用的天然气就必须对油井产出的混合液进行处理。因此，油气水分离是石油勘探开采到炼油成油品之间的一个必不可少的环节。

     由于含水率的不同，混合液中的液体可能以“油包水”或者“水包油”的形式存在。虽然在物理本质上并没有区别，但却对两相混合液的分离方法提出了不同的要求。当含水率大于70%时，呈现“水包油”的形态，此时的分离方法主要包括重力沉降法、化学法、离心分离法等；当含水率小于30%时，呈现“油包水”的形态，此时的分离方法以超声波法、加热法、旋流法、化学法等为主。

     以重力沉降分离法为例，我们都知道，气体的密度 << 油的密度 < 水的密度，所以最先发生气液分离，也就是天然气先从上方出口逃逸，这也是油、气、水三家中最先“分家”的一个。剩下的油和水由于重力分层，从不同的出口流出。当然，为了让他们完全分离干净，我们还需要添加一些小的装置，例如捕雾气，溢流隔板等。

     在海洋采油平台上，如果天然气开采量很少时，通常通过现场燃烧去除，形成壮观的“火炬”。

     随着石油开采从陆地走向海洋，传统的油气水处理器过于庞大、工艺流程复杂，难以解决深海海底分离和采油井井底分离等诸多难题。例如，海洋平台上空间有限，三千米水深的采油平台上增加一公斤有效载荷，则平台的造价就需要增加一万美元。因此从应用价值和经济价值方面考量，研制出结构简单、体积小、重量轻、分离效率高的分离设备应用于海洋平台显得尤为重要。

     研究人员在实际工程实践中提出了各种各样的分离手段和方法来解决这些问题。实际上，如果使液滴受离心力作用，则液滴承受的加速度可远大于重力加速度，典型的商业离心机的离心力可达重力加速度的几千倍，可见离心分离效率会远远高于重力沉降。基于此原理，工程师们发明了管道式离心分离器。

     以油水混合物离心分离法为例，在管道式离心分离器中，油水产生高速旋流，由于油和水之间存在密度差异，各相产生不同的离心力，重量大的水相在外侧，相对重量小的油相在管道中心，由于内部压力场的作用，分别从不同的溢流口流出，实现分离。

     油气水分离器不光可以在工业界大展身手，也是餐饮业不可或缺的好帮手。餐馆和食堂在处理残羹剩饭，都会用到一个半密闭式的铁皮箱来分离出油脂泔水。这就是利用了密度不同，重力沉降的方法，实现的一个简单易行的油水分离器。

     分离技术像一个关键三岔路口的指示牌，为纠缠在一起却又无法相容的三路，指引了各自的归途。由于物理性质的不同，油、气、水三相正好可以“三晋分家”、“分道扬镳”、“各奔前程”了。

     大到海洋平台油气生产，小到囿于厨房的泔水处理，分离技术的广泛应用，悄悄地改变了我们的生活。

     泔水的分离技术(作者：许晶禹中科院流固耦合系统力学重点实验室研究员；徐文凯中科院流固耦合系统力学重点实验室硕士研究生)

     注：文中部分图片来源于网络

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