海上平臺(tái)用靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備試驗(yàn)研究

劉新福，王春升，尚 超，孫 婧，鄭曉鵬，張 明

（中海油研究總院技術(shù)研發(fā)中心，北京100027）

海上平臺(tái)用靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備試驗(yàn)研究

劉新福，王春升，尚 超，孫 婧，鄭曉鵬，張 明

（中海油研究總院技術(shù)研發(fā)中心，北京100027）

基于靜電場(chǎng)水滴聚結(jié)和沉降分離機(jī)理，進(jìn)行靜電聚結(jié)脫水試驗(yàn)，研究含水量、電壓等因素對(duì)脫水效果的影響。在海上平臺(tái)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，優(yōu)化靜電聚結(jié)工藝流程和設(shè)計(jì)參數(shù)，提出海上高含水油田的原油脫水技術(shù)方案。試驗(yàn)結(jié)果表明，施加靜電場(chǎng)作用后，原油含水率顯著降低；原油脫水率會(huì)隨乳化液含水量增加而逐漸降低，并隨電壓的提高和沉降時(shí)間的增加而不斷增大。靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)可簡(jiǎn)化原油處理流程，提高油水分離效率并減小設(shè)備尺寸。

海上平臺(tái)；靜電聚結(jié)；原油脫水；試驗(yàn)

目前海洋石油開發(fā)后期產(chǎn)液大幅增加，需要對(duì)原油處理設(shè)備升級(jí)改造以提高原有設(shè)備效率或采用高效緊湊型的設(shè)備。對(duì)于邊際油田的開發(fā)，尤其重質(zhì)原油，國內(nèi)外常規(guī)原油處理技術(shù)采用“高壓級(jí)三相分離器→低壓級(jí)三相分離器→電脫水器”的工藝流程，整個(gè)處理流程體積龐大、油水分離效率低、運(yùn)行耗能高、工作不穩(wěn)定。新型的原油處理技術(shù)采用靜電聚結(jié)技術(shù)，通過電場(chǎng)作用將原油中的分散相聚結(jié)成較大粒徑的水顆粒，從而加速油沉降分離，提高油水分離效率；國外多家公司進(jìn)行了大量靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，例如英國Bradford大學(xué)與BP、Natco集團(tuán)的合作、Southampton大學(xué)與挪威Statoil公司的合作、ABB與挪威Sintef／NTNU合作、IFP等［1-2］。目前，部分產(chǎn)品進(jìn)入試用階段，但有關(guān)技術(shù)還在深入研究。國內(nèi)對(duì)靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)的研究尚處在試驗(yàn)室研究階段［3］，此外南海西江油田為解決高產(chǎn)水問題進(jìn)行了適用研究，效果滿足要求，但整套設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，加工制造的成本較高。為此有必要研究高效內(nèi)置式靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)，設(shè)計(jì)出新型原油脫水處理裝置，以簡(jiǎn)化油田原油處理流程、減少處理設(shè)施并縮小設(shè)備尺寸，達(dá)到縮減平臺(tái)面積和減輕上部設(shè)施質(zhì)量的目的。

本文對(duì)靜電場(chǎng)中水滴聚結(jié)和沉降分離機(jī)理展開研究，通過靜電聚結(jié)脫水試驗(yàn)分析了不同因素對(duì)脫水效果的影響，并依據(jù)海上試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化靜電聚結(jié)工藝流程和結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終完成靜電聚結(jié)原油脫水工藝流程和設(shè)備研制。

1 靜電聚結(jié)脫水機(jī)理

靜電聚結(jié)脫水是利用電場(chǎng)作用破壞原油乳化液［4-5］，使水滴互相吸引、聚結(jié)和沉降［6］，并最終與原油徹底分離的過程。

1.1 靜電場(chǎng)水滴聚結(jié)過程

通常，靜電場(chǎng)中水滴的聚結(jié)分為3個(gè)階段，第1階段，液滴互相接觸并在不同聚結(jié)力的作用下趨于接近［7-8］；第2階段是膜薄化以減少界面厚度；第3個(gè)階段，當(dāng)膜到達(dá)臨界厚度，任何重大的攪動(dòng)或不穩(wěn)定就會(huì)造成破裂，于是發(fā)生聚結(jié)。

在第1個(gè)階段有3種力促使水滴接觸：

1） 偶極力 是交流和直流電場(chǎng)中水滴聚結(jié)的主要原因［9-10］，在兩個(gè)相似球?；蛞旱沃g偶極相互作用的經(jīng)典靜電力為

式中：ε0和ε1為真空和連續(xù)相介電常數(shù)；d為水滴間距，m；E為電場(chǎng)強(qiáng)度，V／m；r為水滴半徑，m。

2） 電泳力 基于半徑為r的液滴所需電荷量與帶電荷極板接觸的等式，并且假設(shè)連續(xù)相的弛豫時(shí)間大于水滴與電極接觸的時(shí)間，使電荷量極少泄漏，可得出靜電誘導(dǎo)力為

式中：q為電極所帶電量；E為應(yīng)用電場(chǎng)強(qiáng)度；εc為連續(xù)相的介電常數(shù)。

3） 介電泳力 根據(jù)偶極作用，由于非均勻外部電場(chǎng)作用于單個(gè)水滴的時(shí)均介電泳力近似為

式中：εd為分散相介電常數(shù)。

1.2 靜電場(chǎng)水滴沉降分離

原油乳化液中的水滴在外加電場(chǎng)中會(huì)產(chǎn)生電泳聚結(jié)和偶極聚結(jié)，而在交流電場(chǎng)下，偶極聚結(jié)是主導(dǎo)因素［11-12］。水滴因感應(yīng)產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極子，順電場(chǎng)方向兩端帶相反電荷排列，相鄰水滴極性相反，產(chǎn)生偶極聚結(jié)力，聚結(jié)成大水滴。假設(shè)乳化液中的水滴為球形，則相鄰水滴間的電場(chǎng)力近似為：

式中：εr為原油乳化液的介電常數(shù)。

水滴半徑對(duì)偶極聚結(jié)力影響最大，其次為水滴間距，即分散相中水滴濃度，最后為電場(chǎng)強(qiáng)度。

2 室內(nèi)試驗(yàn)

研制原油脫水設(shè)備前首先設(shè)計(jì)出試驗(yàn)樣機(jī)，并在試驗(yàn)室完成相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)采用蒸餾法測(cè)量原油的含水率，其標(biāo)準(zhǔn)采用GB260—1988《石油產(chǎn)品水分測(cè)定法》。

其試驗(yàn)方法為：

1） 制備不同含水量的乳化液50～70 g，分別放置于不銹鋼電脫鹽罐。

2） 將電脫鹽罐置入電脫鹽試驗(yàn)儀，預(yù)熱10 min使乳化液達(dá)到試驗(yàn)溫度80℃。

3） 向絕緣電極施加電壓并作用一定時(shí)間后，停止加電，取電脫鹽罐內(nèi)上部分離后原油20 g左右分析含水量。

2.1 試驗(yàn)條件之一

加電場(chǎng)時(shí)間20 min，電壓2 k V。不同含水量乳化液脫水的試驗(yàn)效果如圖1。

圖1 原油脫水率與含水量關(guān)系曲線（條件一）

可以看出，含水20%～60%乳化液的脫水效果較好，脫水率大于84%；同時(shí)脫水率會(huì)隨乳化液含水量增加而降低，從89.3%降至84.67%。其原因是根據(jù)電脫水原理，脫水速度與原油粘度成反比，與水滴直徑的平方和油水密度差成正比；20%～60%乳化液的黏度均為120 mPa·s左右，乳化后水滴直徑基本在10μm以內(nèi)，影響均不大，而隨著含水量繼續(xù)增加，乳化液中水量增大很多，在同樣的時(shí)間內(nèi)，脫水率相對(duì)較低。

2.2 試驗(yàn)條件之二

加電場(chǎng)時(shí)間20 min，乳化液含水40%。乳化液在不同電壓下脫水的試驗(yàn)效果如圖2。可以看出，隨著電壓升高，脫水率逐漸升高。電壓大于0.8 k V時(shí)的脫水率達(dá)到82%，電壓增至2.8 k V后的脫水率可達(dá)91%。水滴在交流電場(chǎng)中以偶極聚結(jié)和震蕩聚結(jié)為主，水滴間的聚結(jié)力與電場(chǎng)強(qiáng)度的平方成正比，所以隨著電壓的提高，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，水滴聚結(jié)量和聚結(jié)速度增加，脫水效率明顯增大。

圖2 原油脫水率與電壓關(guān)系曲線（條件二）

2.3 試驗(yàn)條件之三

電壓2 k V，乳化液含水40%。乳化液在不同沉降時(shí)間下脫水的試驗(yàn)效果如圖3，可以看出，隨著沉降時(shí)間增加，乳化液的脫水率不斷提高。在沉降時(shí)間為10 min時(shí)，脫水率即達(dá)到80%以上。

圖3 原油脫水率與沉降時(shí)間關(guān)系曲線（條件三）

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 基礎(chǔ)參數(shù)

利用所研制的靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備在中國南海流花11-1油田進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)基礎(chǔ)參數(shù)為：設(shè)備撬體尺寸4.6 m×2.5 m×4.3 m，脫氣罐尺寸?0.8 m×1.0 m，分離器尺寸?1.4 m×3.6 m，設(shè)備處理量9.39 m3／h，最大處理量40 m3／h，含水量大于80%，溫度52～58℃，電極極板間距6.5 cm，電壓8 k V。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

停留時(shí)間為40 min時(shí)，考察電壓對(duì)靜電聚結(jié)脫水效果的影響，如圖4。從圖4可以看出，施加靜電場(chǎng)作用后，脫水后原油含水率顯著降低，且電壓從5 k V升高到8 k V脫水效率提高幅度不明顯，繼續(xù)升高電壓，脫水率顯著提升，脫水后含水率從8 k V時(shí)的1.6%降低至10 k V時(shí)的0.75%，降低了50%以上。同時(shí)，試驗(yàn)井液含水量80%～97%的波動(dòng)對(duì)分離效果基本不產(chǎn)生影響，說明設(shè)備對(duì)高含水且含水量波動(dòng)較大工況具有很好的適應(yīng)性。

圖4 原油含水率與電壓關(guān)系曲線（海上平臺(tái)）

原油含水率與時(shí)間的關(guān)系如圖5，可以看出，靜電聚結(jié)脫水設(shè)備對(duì)高含水井液有很好的脫水效果，脫水效果隨著脫水時(shí)間的延長(zhǎng)而提高，當(dāng)脫水時(shí)間為10 min時(shí)，脫水后含水率為7.8%，但脫水時(shí)間延長(zhǎng)后，含水率逐漸降低，在40 min時(shí)的含水率為1.3%，降低了80%左右。

圖5 原油含水率與脫水時(shí)間關(guān)系曲線（海上平臺(tái)）

4 靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備

中海油研究總院聯(lián)合中石化洛陽工程公司研制的靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備（如圖6）是由脫氣罐和靜電聚結(jié)分離器組成，原油在脫氣罐內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離，分離后的油液進(jìn)入靜電聚結(jié)分離器完成油水兩相分離。

該脫水設(shè)備采用全新復(fù)合電極結(jié)構(gòu)，適用于高含水原油處理；在結(jié)構(gòu)上將氣液分離和油水分離分開進(jìn)行，避免了含氣量波動(dòng)對(duì)油水分離效果的影響，保證靜電場(chǎng)油水界位穩(wěn)定；在操作上采用連續(xù)可調(diào)的電壓控制技術(shù)和各種安全保障技術(shù)，操作靈活方便，設(shè)備運(yùn)行安全可靠；在使用功能上，高含水原油在靜電聚結(jié)設(shè)備內(nèi)完成水滴的聚結(jié)、沉降和分離的過程，利于減少設(shè)備數(shù)量和占地面積。

圖6 靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備結(jié)構(gòu)

靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備的應(yīng)用可以有效提高油水分離效率，極大地簡(jiǎn)化了原油處理流程，減小了設(shè)備尺寸，達(dá)到縮減平臺(tái)面積和減輕上部組塊設(shè)施質(zhì)量的要求，對(duì)現(xiàn)有油田的增產(chǎn)改造、高含水油田開發(fā)和邊際油田開發(fā)具有重要意義。

5 結(jié)論

1） 靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備對(duì)乳化液的脫水效果較好，脫水率超過84%，同時(shí)脫水率會(huì)隨乳化液含水量增加而逐漸降低。

2） 施加靜電場(chǎng)作用后，脫水后原油含水率顯著降低，且隨著電壓的提高，電場(chǎng)強(qiáng)度增大，水滴聚結(jié)量和聚結(jié)速度增加，脫水效率明顯增大。

3） 靜電聚結(jié)脫水設(shè)備對(duì)高含水井液有很好的脫水效果，且隨著沉降時(shí)間增加，脫水率不斷提高。

4） 依據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和海上試驗(yàn)結(jié)果優(yōu)化靜電聚結(jié)工藝流程和結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終研制出靜電聚結(jié)原油脫水設(shè)備，其應(yīng)用對(duì)現(xiàn)有油田增產(chǎn)改造、高含水油田開發(fā)和邊際油田開發(fā)具有重要意義。

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Test of Equipment for Crude Oil Dehydration by Electrostatic Coalescence on Offshore Platform

LIU Xin-fu，WANG Chun-sheng，SHANG Chao，SUN Jing，ZHENG Xiao-peng，ZHANG Ming
（Technology Research Center，CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Based on mechanism of water coalescence and separation，the experiment of crude oil dehydration was completed，and then the effect of different factors on dehydration was analyzed on the results.The process and design were optimized and the technical solution for high-water oil fields was given by the test on the offshore platform.The test results show that water content in oil decreases due to the electrostatic field.The dehydration rate decreases with the increase of water content，while it enlarges by increasing the voltage and time.The technology for crude oil dehydration by electrostatic coalescence will simplify the process of crude oil separation，increase separation efficiency and decrease size.

offshore platform；electrostatic coalescence；crude oil dehydration；test

TE952

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.12.015

1001-3482（2014）12-0059-04

2014-06-03

中海石油（中國）有限公司綜合科研項(xiàng)目“氣浮旋流一體化水處理技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用放大試驗(yàn)研究”（YXKY-2014-ZY-05）；中海油研究總院項(xiàng)目“高含水原油靜電聚結(jié)脫水器現(xiàn)場(chǎng)中試”；國家發(fā)明專利（ZL201210262069.2）

劉新福（1983-），男，山東威海人，工程師，博士，主要從事油氣田開發(fā)及工藝技術(shù)的研究，E-mail：upcdoctor＠126.com。