油气初加工基础知识

第一节 油气基础知识

一、石油 （一）石油的物理性质

石油是由各种碳氢化合物混合而成的一种可燃有机油状液体。石油在提炼以前称原油。原油一般为淡黄色到黑色，流动或半流动的粘稠液体，是一种烃类物质的混合物，同时含有一些不稳定的轻组分，相对密度在0.8～1之间。不稳定石油是指未经处理，含有轻烃组分的原油。不含轻烃组分的原油叫稳定原油。地层原油的物理性质，直接影响原油在底下的储存状况和流动性能。分析地层原油的物理性质，一般要取得以下几个参数：

1．饱和压力：地层原油在压力降低到开始脱气时的压力称饱和压力。原始饱和压力是指油田开采初期，地层保持在原始状况下测得的饱和压力。一般所说的饱和压力均是指原始饱和压力。它是确定开发决策的依据之一。单位兆帕（MPa）。

2．溶解气油比：在地层原始状况下，单位重量（或体积）原油所溶解的天然气量称为

333

原始气油比，单位是“立方米每吨或立方米每立方米”——（m/t）或（m/m）。油井生产

3

时，每采出一吨原油伴随采出的天然气量称生产气油比，单位是“立方米每吨”（m/t）。

3．原油密度和相对密度：原油密度是指单位体积原油的质量。单位是“千克每立方米”

3

——（kg/m）。原油的相对密度是指原油在温度为20℃、0.101兆帕时的标准状态下脱气原油的密度与温度为4℃时同样体积纯水密度之比值，也叫比重，为无因次量。

4．原油粘度：石油在流动时，其内部分子之间产生的摩擦阻力称为原油粘度。影响粘度的因素很多，在地层中的原油，由于温度高、压力高，且溶解有大量天然气，所以粘度小：而地面原油温度低，溶解气少，所以粘度比地层条件下大的多。

5．原油凝固点：原油冷却到失去流动性时的温度，叫做原油的凝固点。凝固点在40℃以上的原油叫高凝油。

6．原油收缩率：地层原油取到地面后，天然气逸出使体积缩小，收缩的体积占原体积的百分数称为收缩率。

7．原油压缩系数：（又称压缩率）单位体积的地层原油的压力每增加或减小1帕斯卡时，体积的变化率称为压缩系数，单位是“每帕或每兆帕”（1/MPa）。

（二）石油的化学性质：

胶质是原油中分子量较大的烃类，并含有氧、氮、硫等杂质。它溶解性较差，只能溶解于石油醚、苯、氯仿、乙醚和四氯化碳等有机溶剂中，能被硅胶吸附。石油蒸发或氧化后，胶质成分增加。密度较小的石油一般含胶质4～5%，而较重的石油胶质含量可大于20%或更多。原油中所含胶质的百分数称为胶质含量。

原油中的沥青质为暗褐色至黑色的脆性物质，含有碳、氢、氧、氮、硫等元素的高分子多环有机化合物，其分子量比胶质大许多倍，不溶于石油醚或酒精，可溶于苯、三氯甲烷及二硫化碳，也可被硅胶吸附。原油中所含沥青质的百分数称为沥青质含量。

（三）石油的组成：石油的组成主要有C、H、O、N等元素，其中碳（C）和氢（H）所占比例最大。一般碳占83%～87%，氢占10～14%，二者的比值C/H一般不超过6.0～7.5之间。此外石油中还含在有微量的其它元素，如钒（V）、镍（Ni）、铁（Fe）、铜（Cu）、铅（Pd）、钙（Ca）等二十几种元素。

要说明的是：上述的各元素在原油中不是呈游离状态，而是结合成不同的化合物而存在，多以烃类化合物为主，另外还有少量的含氧、硫、氮的非烃类化合物。

原油中烷烃的碳原子个数为15～42左右时呈固态的碳氢化合物称为蜡。原油中含蜡的百分数称为含蜡量。

我们把由碳和氢组成的化合物称为烃，原油的95%以上都是由碳和氢组成的，所以说，

原油主要是由烃类组成的。

（四）石油的分类

石油的分类常见有四种方法：即按相对密度分类；按含硫、含蜡量分类；按特性因数分类；按关键馏份特性分类。

原油按相对密度分类可分为轻质原油（相对密度小于0.878）、中质原油（相对密度在0.878～0.884之间）、重质原油（相对密度大于0.884）；

按含硫量分为低硫原油（小于0.5%），含硫原油（大于0.5%）和高硫原油； 按含蜡量可分为低蜡原油（粘度为υ50=50cP的馏份，凝点小于16℃）、含蜡原油（粘度υ50=53cP的馏份，凝点在16～21℃之间），多蜡原油（粘度υ50=53cP的馏份，凝点大于21℃）。

二、天然气

（一）天然气的组成：天然气主要是由碳、氢、硫、氮、氧及微量元素组成的，以碳、氢为主，碳约占65～80%，氢约占12～20%，是一种烃类气体的混合物，其中带有水蒸气和较重的烃类。未经处理的天然气不能使用。天然气中含有的烃一般是甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷及少量的乙烷庚烷、辛烷和更重的气体。

（二）天然气的分类

1．根据天然气的组成可分为干气、湿气、贫气、富气，还可分为酸性气和洁气。 干气：每一标准立方米的天然气中，C5（戊烷）以上重烃液含量低于13.5立方厘米的天然气称为干气。

湿气：每一标准立方米的天然气中，C5（戊烷）以上重烃液含量超过13.5立方厘米的天然气称为湿气。

贫气：每一标准立方米的天然气中，C3（丙烷）以上烃类液的含量低于94立方厘米的天然气称为贫气。

富气：每一标准立方米的天然气中，C3（丙烷）以上烃类液的含量超过94立方厘米的天然气称为富气。

酸性气：天然气中含有显著的H2S和CO2等酸性气体，需要进行净化处理，才能达到管输标准的天然气。

洁气：天然气中H2S和CO2等酸性气体含量甚微，不需要对酸性气体进行净化处理的天然气。

2．根据矿藏的特点分类

天然气可分为伴生气和非伴生气。伴生气是与原油共生的，开采原油时伴生气与原油同时被采出。非伴生气包括有纯天然气和凝析气两种。纯天然气是从气井中开发出来的，其中主要成分是甲烷，还有少量的乙烷、丙烷、丁烷及非烃气体。凝析气田天然气是凝析气田开采出来的，其成分除了有甲烷、乙烷外，还含有一定数量的丙烷、丁烷、戊烷及戊烷以上的烃类。凝析气田天然气从井口流出来，经过减压降温后，分为气液两相，气相经过净化处理后，即成为商品天然气。液相主要是凝析油，可进行进一步加工，从中可获得几种轻烃产品。

（三）天然气的物理性质

由于天然气是一种烃类混合物，且因为这种混合物在化合物的形式上和相对含量上经常变化，所以其总的和综合的物理性质也将发生变化，为此，必须首先对这种气体进行分析，确定其各种不同的物理性质，分子量、冰点、沸点、密度、浓度、粘度、临界温度、临界压力、汽化热、热值、蒸气压等物理性质对天然气的初加工是至关重要的。

（四）天然气的相关概念

1．爆炸极限：在油气初加工工业以及天然气的使用过程中，天然气的爆炸极限是一个非常重要的参数，它直接影响到人身安全和企业的效益。

天然气和空气形成的混合物中，当天然气在空气中的含量达到一定比例范围，这种混合

气体具有爆炸的可能性，这个比例范围的高低限制称为天然气的爆炸极限。当空气中天然气的含量一直增加到不能形成爆炸混合物时的那个含量，称为爆炸上限。当空气中天然气的含量一直减少到不能形成爆炸混合物时的那个含量，称为天然气的爆炸下限。

天然气是碳氢化合物的混合物，天然气的爆炸极限范围取决它自身的化学组成和外界的温度、压力条件，天然气所处压力愈大，温度愈高则爆炸范围愈大，特别是压力的影响显著，随着压力的升高，爆炸下限几乎保持不变，而上限都大大增加，天然气爆炸浓度极限5.0%～15.0%。

2．湿度

单位体积或单位重量的天然气所含水蒸汽的重量称为天然气的绝对湿度（即含水量），其单位为：克/立方米或克/公斤。天然气的绝对温度与相同条件下呈饱和状态的单位体积天然气中所含水蒸气重量之比，称为天然气的相对湿度。

天然气的湿度在初加工工业中是一个很重要的参数。 3．露点

如果天然气中含有一定量的水蒸汽，当压力升高或温度下降到一定数值时，天然气中的水蒸气开始凝析出来，此时，天然气为水蒸汽所饱和，即天然气达到了饱和状态。天然气为水所饱和时的温度称为天然气的露点；或可以说，天然气中出现第一滴露珠时的温度称为天然气的露点。

4．天然气的全热值

单位体积或单位质量的天然气燃烧时，将所发生的蒸汽的汽化潜热计算在内的热量称为全热值。全热值减去不能利用的汽化潜热值称为天然气的冷热值（低热值）。单位体积或质量的天然气燃烧所发出的热能称为天然气的燃烧值，又称发热量。

5．天然气的基本参数

天然气的基本参数有：分子量，容重和相对密度，比容和密度。 6．气体的临界参数及临界状态：

对某组分的气体而言，在临界点温度以上，无论加多大的压力，气体也不会液化，只有在临界点温度以下才能实现液化，这一点就称为临界点。此时的压力称为临界压力，温度称为临界温度，比容称为临界比容，气体所处状态称为临界状态。气体的临界温度越高，气体越易液化，反之越不易液化。

（五）天然气含水汽量及水合物的生成 天然气中含有的水汽量是有限度的，其最大含水汽量为饱和含水汽量，它与天然气的温度、压力和组成有关。一般在一定压力条件下，随温度的升高，饱和含水汽量增大。在同一温度条件下，随着压力的提高，饱和含水汽量减少。在一定的压力条件下，与饱和含水汽量相应的温度称之为水露点，也就是说，在一定的压力条件下，当水汽温度达到露点温度时，就开始有液体析出。在集输和处理天然气的操作中，就要控制这个温度条件，不能低于水的露点温度操作。

在一定的温度和压力条件下，天然气中的气态组分能与水形成水合物。这种水合物是白

3

色的晶体，外观似松散的冰或密致的雪，其密度为0.88～0.9g/cm，从结构方面来看，水合物是一种笼形晶格包络物。在水合物中，1个气体分子与水结合的分子数是不恒定的，这与气体分子大小、性质以及晶格中孔室被气体分子充满的程度有着密切的关系。戊烷和己烷以上的烃类一般不形成水合物。

三、轻烃

轻烃在化工工业在中广泛的用途，是乙烯、塑料等加工业不可缺少的原料。我们把可不经分离直接用作热裂解制轻质烯烃的原料，我们称之为轻烃。

（一）轻烃产品的化学组成

从天然气中分离出来的液态轻烃产品通常有以下几种：乙烷、丙烷、丁烷、液化石油气（实际上是丙、丁烷混合物）、天然汽油。这些产品通常是无色透明的液体。 由于轻烃产品是从天然气中分离出来的，所以其化学组成都是天然气中几种烃类或非烃类化合物。液态丙烷产品并不是含有100%的丙烷，而是还含有少量的乙烷和丁烷等；同样，液态乙烷产品以乙烷为主，液态丁烷以丁烷为主（包括有正丁烷和异丁烷）。在天然汽油中，组成要复杂一些，其中主要是戊烷及戊烷以上的组分，还可能含有环戊烷、环己烷、苯以及含硫化合物等。 （二）轻烃产品的物理性质 1． 沸点

液体物质沸腾时的温度称之为沸点，一般沸点与外界压力条件有关，随着压力升高，沸点增加。

轻烃组分沸点见表：1—1—1

表：1—1—1轻烃组分沸点 轻烃 甲烷 乙烷 丙烷 异丁烷 正丁烷 异戊完 正戊完 -0.50 27.85 36.07 己烷 68.74 沸-161.49 -88.63 -42.07 -11.27 点 ℃ 从表中可以看出由于丁烷以下的轻烃组分的沸点都很低，在常温下（如20℃）早已全部汽化，不可能以液态存在。总之，轻烃类产品是成分较轻，极易挥发，大量的挥发气可使人窒息。轻烃易燃易爆，给天然气工业带来许多困难，在轻烃的储存，输送及生产过程中，要防止泄漏和静电的产生。 2． 密度

轻烃产品的密度比一般油品密度小，大约在0.5～0.6之间。其密度随温度的升高而减小。也就是说，同样质量的液态轻烃随温度的升高，其体积要增大。因此，在轻烃的储存中要慎重地考虑这一特性，为了防备因温度升高轻烃的体积膨胀而破坏设备，要求储存容器必须留有充分的余量。 3． 饱和蒸汽压

液态轻烃的饱和蒸汽压随着温度变化而变化。在一定的饱和温度条件下，若压力保持大于饱和蒸汽压时，则饱和蒸汽会液化，能有液体存在。 饱和蒸汽压是轻烃产品的重要质量指标，它与安全有着密切的关系。如瓶装的液化石油气燃料，在使用时随意加热或爆晒，则可能因温度升高而使饱和蒸汽压上升，当其压力超过盛装容器的允许压力时，就会发生爆炸。 4． 闪点

轻烃产品的闪点一般不测定。由于轻烃产品的成分的闪点很低，所以轻烃产品的闪点也很低。从安全的角度来说，轻烃产品的闪点很低就意味着它是极易引起爆炸着火的危险品。

第二节 油气初加工基础知识

一、油气初加工工业概述

原油是指以液态形式天然形成的比较重的烃类组分。天然气是指以气体形态存在的比较轻的烃类组分。来自气井的天然气叫气井气；来自油井的从原油中分离出来的天然气叫伴生气。

原油伴生气中丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）、戊烷（C5H12）的含量较多，同时有一部分C6以上的烃类，应用它可以生产较多的液化石油气。在我国目前条件下，液化石油气是城市居民理想的生产燃料之一。按目前原油产量，每年原油伴生气达68亿标准立方米，如果

全部进行液化分离，可获得约100万吨轻油，110万吨液化石油气，还可获得更多的甲烷（CH4）和乙烷（C2H6）用作化工原料，其经济效益是很大的。这对于改变城市的能源供应结构，改善城镇居民生活条件，减轻城市污染都是具有重要的意义。尤其是对油田气采用适当的处理方法，使其分离成不同馏分或纯组分，并有效地加以利用，应引起普遍的重视。 二、油气初加工的工艺及其产品 （一）油气初加工的工艺 1．油气分离工艺

原油和天然气的集输和分离基本是物理过程。原油从油层中采出来到达井口时，一般均处于油、气两相共存状态。在油气初加工中，通过甘醇脱水、浅冷分离、深冷分离、原油稳定、大罐气回收工艺来回收部分液态轻烃。 2．原油稳定工艺

目前国内外采用的原油稳定方法很多，但基本上可归纳为两大类：一类属闪蒸法如负压分离稳定，加热闪蒸稳定，多级分离稳定等；另一类属分馏法如分馏稳定，提馏稳定等。闪蒸法和提馏法都是利用原油中轻重组分饱和蒸汽压，亦即挥发度的不同实现从原油中脱除C1～C5等轻烃，从而达到降低原油蒸汽压，使原油稳定的目的。只是前者大多属单级平衡分离（平衡闪蒸）过程，故只能使轻重组分达到较低程度的分离；后者为精馏过程，可以使轻重组分达到足够程度的分离。 3．天然气净化工艺

天然气的净化是将天然气脱水、脱酸性气体、脱除机械杂质。通常所说的脱水，严格地讲就是从天然气中除去水蒸气；所以我们把用吸收或吸附的方法脱除天然气中的水蒸气的过程称之为天然气脱水。天然气脱水是为了降低天然气的露点。

天然气脱水的方法大致可分为：

1）流体吸收法（或称液体干燥剂脱水） 2）固体吸附法（如硅胶、分子筛脱水等） 3）低温分离法

上述脱水方法在不同场合下各有优缺点，目前，在我国各大油田，普遍采用液体吸收法，或者是液体吸收法与低温分离法相结合。 4．天然气的冷冻分离工艺

1．天然气的浅冷分离

为了给石油工业提供理想原料，初加工工业还采取了冷冻分离方法，根据石油伴生气的组分和用途，油田上所采取的冷冻方式和冷冻深度也有所不同，依据产品用途，将C3以上的轻烃组分加以回收，一般只需要冷冻至-20℃～-40℃，即可满足回收工艺条件，通常称这种冷冻深度为浅冷分离。中冷分离温度一般为-30℃～-60℃。

我国油田沿用的浅冷分离装置，所采用的冷冻方式主要有两种类型，按其操作方法分为氨吸收制冷和氨压缩制冷。 2．天然气的深冷分离

为提供大量含乙烷以上的烃类作为化工原料，必须进行天然气的深度冷冻，以回收更多的轻烃。天然气深冷分离，无论是从原料气的增压、净化，还是制冷都比天然气的浅冷分离要求的条件高得多。尤其是膨胀机制冷，无论在制冷深度上还是在充分利用能量上都有着很大的优越性，深冷致冷温度一般为-90℃～-100℃。

天然气的深冷分离有各种各样的方法，如阶式制冷工艺、混合冷剂阶式制冷工艺、膨胀机制冷工艺等方法，但无论采用那种方法，其分离方案都大致相同，都是由以下几部分组成：

1）天然气增压和低温制冷过程：天然气的深冷分离是在一定的温度和压力下进行的，所以天然气的增压和低温制冷是深冷分离的必要条件。如果天然气是气井气，原始

压力很高，就不必再增压。

2）气体的净化：为了防止天然气中的杂质如水、CO2以及其它的酸性气体对后续加工过程的干扰，必须脱除其杂质。

3）脱甲烷及轻烃精分馏：脱甲烷塔是深冷分离的核心，轻烃精馏分离是把轻烃中各个烷烃分离成单一烷烃产品，主要设备如脱乙烷塔，脱丙烷塔等。

（二）油气初加工产品及质量标准 1．天然气主要质量指标

表4-2 天然气国家标准（GB17820—1999）① 项目 硫化氢，mg/m3 二氧化碳，% 总硫（以硫计），mg/m3 水露点②，℃ 高位发热量，MJ/m3 ≤100 一类 ≤6 ≤3.0 ≤200 二类 ≤20 三类 ≤460 — ≤460 试验方法 GB/T11060.1—1998 GB/T13610—1992 GB/T11061—1997 GB/T17283—1998 GB/T11062—1998 在天然气交接点的压力温度下,比最低环境温度低5℃ ＞31.4 ① 本标准中气体体积的标准参比条件是101.325kPa，20℃

② 国家标准实施之前建立的天然气输送管道，在天然气交接点的压力温度下，天然气中应无游离水（无游离水是指天然气经机械分离设备分不出游离水）。

为充分利用天然气这一矿产资源的自然属性，依照不同要求，结合我国天然气资源的实际，本标准将天然气分为三类。

一、二类气体主要用作民用燃料。世界各国商品天然气中硫化氢控制含量大多为5～23mg/m3。考虑到在城市配气和储存过程中，特别是混配和调值时可能有水分加入。为防止配气系统的腐蚀，本标准规定一、二类天然气中硫化氢含量分别不大于6mg/m3和20mg/m3。三类气体主要用作工业原料或燃料。

压力很高，就不必再增压。

2）气体的净化：为了防止天然气中的杂质如水、CO2以及其它的酸性气体对后续加工过程的干扰，必须脱除其杂质。

3）脱甲烷及轻烃精分馏：脱甲烷塔是深冷分离的核心，轻烃精馏分离是把轻烃中各个烷烃分离成单一烷烃产品，主要设备如脱乙烷塔，脱丙烷塔等。

（二）油气初加工产品及质量标准 1．天然气主要质量指标

表4-2 天然气国家标准（GB17820—1999）① 项目 硫化氢，mg/m3 二氧化碳，% 总硫（以硫计），mg/m3 水露点②，℃ 高位发热量，MJ/m3 ≤100 一类 ≤6 ≤3.0 ≤200 二类 ≤20 三类 ≤460 — ≤460 试验方法 GB/T11060.1—1998 GB/T13610—1992 GB/T11061—1997 GB/T17283—1998 GB/T11062—1998 在天然气交接点的压力温度下,比最低环境温度低5℃ ＞31.4 ① 本标准中气体体积的标准参比条件是101.325kPa，20℃

② 国家标准实施之前建立的天然气输送管道，在天然气交接点的压力温度下，天然气中应无游离水（无游离水是指天然气经机械分离设备分不出游离水）。

为充分利用天然气这一矿产资源的自然属性，依照不同要求，结合我国天然气资源的实际，本标准将天然气分为三类。

一、二类气体主要用作民用燃料。世界各国商品天然气中硫化氢控制含量大多为5～23mg/m3。考虑到在城市配气和储存过程中，特别是混配和调值时可能有水分加入。为防止配气系统的腐蚀，本标准规定一、二类天然气中硫化氢含量分别不大于6mg/m3和20mg/m3。三类气体主要用作工业原料或燃料。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qcu6.html