塔河油田酸化油高頻脈沖電脫水實(shí)驗(yàn)研究及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

張倩 趙毅 周勇 李琰磊

1中國(guó)石化西北油田分公司采油二廠

2中國(guó)石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院

3中國(guó)石油新疆油田公司風(fēng)城油田作業(yè)區(qū)

近年來(lái)，隨著塔河油田生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，單井措施、大型酸壓工藝不斷增多，加之各類采油助劑的規(guī)模應(yīng)用，產(chǎn)生大量的酸化油、老化油，早期直接進(jìn)入聯(lián)合站處理系統(tǒng)，對(duì)原油處理系統(tǒng)造成較大的沖擊。2014 年，出于優(yōu)化成本、安全環(huán)保角度考慮，西北油田分公司采油二廠實(shí)施了二號(hào)聯(lián)酸化油處理系統(tǒng)改造，將二號(hào)聯(lián)3#罐、6#罐、首站1#罐改造為酸化油/老化油處理流程，替代了TK1210、T7-444 污油處理站和TK620 卸油站。酸化油、老化油不再進(jìn)入聯(lián)合站系統(tǒng)，有效地保障了原油處理的平穩(wěn)運(yùn)行。

二號(hào)聯(lián)酸化油處理系統(tǒng)采用熱化學(xué)重力沉降脫水工藝，其主要依靠高溫、高濃度藥劑和長(zhǎng)時(shí)間沉降。二號(hào)聯(lián)酸化油處理系統(tǒng)在2014 年改造之后取得了巨大的安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益，但是由于處理工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，占用資源較大，系統(tǒng)仍然存在很大的優(yōu)化空間。與常規(guī)原油處理相比，現(xiàn)有酸化油處理工藝所需的沉降時(shí)間為20～30天，效率低，在措施井集中開(kāi)井的情況下會(huì)存在壓庫(kù)情況，影響生產(chǎn)?，F(xiàn)有酸化油處理工藝的破乳劑加藥濃度為1 000 mg/L，是常規(guī)原油破乳劑加量的5 倍，噸油處理消耗藥劑成本較高。現(xiàn)有酸化油處理工藝占用二號(hào)聯(lián)3#罐、6#罐和首站1#罐，共計(jì)罐容3.5×104m3，日處理噸油占用罐容130 m3，比常規(guī)原油處理的占用罐容（6～7 m3）高出20 倍左右。儲(chǔ)罐利用率不高，導(dǎo)致聯(lián)合站原油儲(chǔ)備能力降低，抗風(fēng)險(xiǎn)能力削弱。由于現(xiàn)有酸化油處理工藝所需的沉降時(shí)間長(zhǎng)、脫水溫度高，需要單獨(dú)建立熱媒油系統(tǒng)為其加熱，成本較高。

針對(duì)二號(hào)聯(lián)目前采用的酸化油處理工藝存在的優(yōu)化潛力，為提高處理效率、降低成本費(fèi)用，開(kāi)展了一系列技術(shù)研發(fā)和實(shí)驗(yàn)研究，提出了以高頻脈沖原油脫水器為核心的酸化油脫水新技術(shù)。高頻脈沖原油脫水器是新一代油田采出液油、氣、水一體化分離處理設(shè)備，該設(shè)備集成了脈沖破乳、電磁聚結(jié)脈沖脫水等技術(shù)，具有處理效率高、能耗低、適應(yīng)范圍廣、性能穩(wěn)定的特點(diǎn)[1-5]。首先在室內(nèi)評(píng)價(jià)了脈沖電脫水對(duì)塔河酸化油的適應(yīng)性，并優(yōu)選實(shí)驗(yàn)條件，然后開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原料和儀器

原料和儀器包括塔河油田酸化油、老化油等，電脫水儀，電子分析天平，蒸餾法水含量分析儀。DTS 型電脫水儀由勝利油田勝利化工有限責(zé)任公司提供，由矩形波脈沖脫水電源、變壓器和靜態(tài)脫水儀組成（圖1）。

圖1 高頻脈沖電脫水裝置示意圖Fig.1 High frequency pulse electric dehydration device

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將一定含水率的酸化油或者老化油加入到電脫水儀器中，加熱到實(shí)驗(yàn)溫度，設(shè)置電壓、頻率、脈寬比等參數(shù)，開(kāi)啟電源開(kāi)始電脫水。脫水完成后打開(kāi)排空閥，防止氣流在釜體內(nèi)攪動(dòng)，然后從釜體底部放出游離水及部分原油，再取中間位置原油分析其含水率。

2 結(jié)果與討論

與交流、直流和交-直流電脫水不同，高壓高頻脈沖電脫水存在電壓幅值、電場(chǎng)頻率和脈沖寬度比三個(gè)重要的電場(chǎng)參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)電脫水的效率及能耗有顯著的影響[6]。另外考察了溫度和停留時(shí)間等操作參數(shù)對(duì)電脫水的影響。

2.1 電壓對(duì)含水率的影響

電場(chǎng)頻率為16 kHz，脈寬比為70%，溫度為現(xiàn)場(chǎng)溫度80 ℃，停留時(shí)間為5 h，考察了電壓對(duì)脫水效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 電壓對(duì)酸化油脫水效果的影響曲線Fig.2 Effect curve of voltage on dehydration of acid oil

由圖2可知，隨著脫水電壓的增加原油含水率先降低后增加，當(dāng)電壓為1 300 V 時(shí)含水率最低。隨著電壓的增大，脫水器內(nèi)電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度隨之升高，水滴之間的極化作用增強(qiáng)，水滴之間碰撞的概率增加，酸化油更加容易破乳，含水率降低。然而當(dāng)電壓超過(guò)一個(gè)臨界值之后，隨著電壓的繼續(xù)增加，酸化油中已經(jīng)凝聚好的水滴在電場(chǎng)作用下，被逐漸拉伸變長(zhǎng)、變細(xì)，水滴極點(diǎn)處的界面張力不能抵抗靜電拉應(yīng)力，水滴又分散成若干個(gè)小水滴，就會(huì)發(fā)生電分散現(xiàn)象，增加水滴在酸化油中的分散程度，破乳變得更加困難，含水率也隨之增加?？梢?jiàn)，在一定范圍內(nèi)提高靜態(tài)脫水器的電壓，可增強(qiáng)分散相水滴的極化引力，提高脫水效率；當(dāng)脫水電壓過(guò)高時(shí)會(huì)發(fā)生過(guò)度極化及電分散現(xiàn)象，反而會(huì)降低乳狀液的脫水效果[7]。當(dāng)電壓在1 300 V時(shí)，塔河酸化油脫水效果最好，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選在脫水電壓為1 300 V。

2.2 頻率對(duì)含水率的影響

電壓為1 300 V，脈寬比為70%，溫度為現(xiàn)場(chǎng)溫度80 ℃，停留時(shí)間為5 h，考察了頻率對(duì)脫水效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

由圖3 可知，當(dāng)電場(chǎng)頻率由12 kHz 上升至22 kHz 時(shí)，靜態(tài)脫水器的脫水效率呈現(xiàn)出先增大、后減小的趨勢(shì)，電場(chǎng)頻率為16 kHz 時(shí)脫水效果最好。在高頻電場(chǎng)的電場(chǎng)力作用下，水滴會(huì)發(fā)生極化和振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)電場(chǎng)的頻率過(guò)高，脈沖周期小于水滴極化的響應(yīng)時(shí)間，水滴不能較好地吸收電場(chǎng)極化的能量，從而導(dǎo)致破乳效率降低，能量利用率降低。相反，如果電場(chǎng)頻率太低，容易導(dǎo)致電分散現(xiàn)象。只有當(dāng)水滴與電場(chǎng)發(fā)生共振時(shí)，此時(shí)水滴的極化效果最好，變形程度和振幅達(dá)到最大，乳狀液的破乳效果最好。

圖3 電場(chǎng)頻率對(duì)含水率的影響曲線Fig.3 Effect curve of electric field frequency on water content

2.3 脈寬比對(duì)含水率的影響

電壓為1 300 V，電場(chǎng)頻率為16 kHz，溫度為現(xiàn)場(chǎng)溫度80 ℃，停留時(shí)間為5 h，考察了脈寬比對(duì)脫水效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 脈寬比對(duì)脫水率的影響曲線Fig.4 Effect curve of pulse width ratio on dehydration rate

所謂脈寬比就是指單個(gè)脈沖所持續(xù)的時(shí)間與脈沖周期的比值[6，8]。通常情況下脈寬比也存在一個(gè)最優(yōu)值。如圖4所示，隨著脈寬比的增加，含水率先是降低再升高，破乳效率先增加再降低，當(dāng)脈寬比為70%達(dá)到最佳。

當(dāng)脈寬比太小時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間太短，作用于油水乳狀液的電場(chǎng)能過(guò)低，水滴極化電荷沒(méi)有足夠的時(shí)間轉(zhuǎn)向、極化，水滴的靜電極化作用極弱，水滴靜電聚并速率極低，乳狀液的靜態(tài)電脫水效率最低。隨脈寬比的增加，作用于乳狀液的電場(chǎng)能增加，水滴靜電極化效果提升。當(dāng)脈寬比過(guò)大時(shí)，水滴雖然能夠吸收足夠的能量，但部分電場(chǎng)能經(jīng)水鏈泄漏，脫水效果有所降低，而且容易產(chǎn)生電分散現(xiàn)象，甚至發(fā)生電脫水器內(nèi)電極間擊穿、跨電場(chǎng)現(xiàn)象，因此，存在一個(gè)最佳的脈寬比。

2.4 溫度對(duì)含水率的影響

電壓為1 300 V，電場(chǎng)頻率為16 kHz，脈寬比為70%，停留時(shí)間為5 h，考察了溫度對(duì)脫水效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫度對(duì)含水率的影響曲線Fig.5 Effect curve of temperature on water content

由圖5 可以看出，隨著溫度的升高，油樣含水率不斷降低。這是因?yàn)殡S著溫度的升高，原油的黏度降低，塔河原油屬于超稠油，溫度的升高使得黏度、油水界面膜的強(qiáng)度大幅降低，水滴受電場(chǎng)極化作用更容易聚并，而且水滴受到的內(nèi)摩擦和運(yùn)動(dòng)阻力也會(huì)大幅減??；隨著溫度的升高，原油密度也會(huì)降低，增加了油水密度差，也加速了水滴的沉降速率[9]。當(dāng)溫度從70 ℃升高到120 ℃時(shí)，原油含水率從0.77%下降到0.12%，都低于1%的外輸要求，經(jīng)綜合考慮，確定實(shí)驗(yàn)溫度為80 ℃，完全可以滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

2.5 停留時(shí)間對(duì)含水率的影響

電壓為1 300 V，電場(chǎng)頻率設(shè)置為16 kHz，脈寬比為70%，溫度為現(xiàn)場(chǎng)溫度80 ℃，考察了停留時(shí)間對(duì)脫水效果的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 停留時(shí)間對(duì)含水率的影響曲線Fig.6 Effect curve of standing time on water content

由圖6可知，隨著停留時(shí)間的增加，酸化油中的含水率隨之降低。隨停留時(shí)間的增加，油水乳狀液在高壓高頻脈沖電場(chǎng)下的作用時(shí)間增加，作用于分散相水滴的電場(chǎng)能增大，水滴的靜電極化和碰撞聚并效應(yīng)更為明顯，乳狀液的破乳脫水效果更佳[10]。當(dāng)停留時(shí)間超過(guò)2 h 以后，原油含水率降低到1%以下，4 h以后含水率已經(jīng)降低到0.3%，再繼續(xù)延長(zhǎng)停留時(shí)間，含水率降低幅度較小。因此，選擇停留時(shí)間為3 h，完全滿足現(xiàn)場(chǎng)需要。

2.6 對(duì)不同油的適應(yīng)性

上述研究表明，脈沖電脫水對(duì)塔河酸化油具有較好的脫水效果。接下來(lái)考察高頻脈沖電脫水對(duì)塔河油田酸化油、老化油、污油等的脫水效果。

由表1可知，高頻脈沖電脫水對(duì)塔河油田酸化油、老化油、污油都具有較好的脫水效果。經(jīng)過(guò)高頻脈沖電脫水之后，含水率都降低到1%以下，說(shuō)明高頻脈沖電脫水對(duì)不同的酸化油、老化油都具有較好的普適性，而且即便原油含水率達(dá)到70%以上，仍然具有較好的脫水效果。

表1 不同地點(diǎn)油樣脫水實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of oil sample dehydration at different locations

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

新型脈沖原油脫水器工業(yè)試驗(yàn)裝置于2017 年11 月在二號(hào)聯(lián)合站現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)始安裝并進(jìn)行配套流程建設(shè)，設(shè)計(jì)處理量為0.5～1.0 m3/h，12 月中旬開(kāi)始進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)，12 月30 日現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)結(jié)束。在工業(yè)試驗(yàn)過(guò)程中，為了評(píng)價(jià)新型脈沖原油脫水器的處理效果，分別采用7-3卸油站酸化油、二號(hào)聯(lián)合站老污油池老化油，以及酸化油和老化油等比例混合三種試驗(yàn)?zāi)Ｊ綄?duì)處理效果進(jìn)行分析，相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、表3及表4。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，高頻脈沖電脫水對(duì)塔河油田酸化油、老化油都具有較好的脫水效果，經(jīng)過(guò)高頻脈沖電脫水之后，平均含水率都能達(dá)到0.5%以下，具有良好的破乳脫水效果。

表2 單獨(dú)處理7-3卸油站酸化油工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Industrial test data of acid oil treated separately by 7-3 unloading station

表3 單獨(dú)處理老污油池老化油工業(yè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Industrial test data of aging oil treated separately by old dirty oil pools

表4 7-3卸油站酸化油與老污油池老化油等比例混合試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.4 Mixing test data of equivalent proportion of acid oil from 7-3 Unloading Station and ageing oil from old dirty oil pools

高頻脈沖電脫水裝置在現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)運(yùn)行12 天，電氣、儀表控制系統(tǒng)和全套裝置未發(fā)生異常和故障，設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定可靠。高頻脈沖電脫水技術(shù)效果的主要影響因素是運(yùn)行負(fù)荷和處理溫度。當(dāng)處理液量超出1.0 m3/h 時(shí)，脫水后原油含水率不能完全保證達(dá)標(biāo)；該裝置合適的工作溫度在75 ℃左右，當(dāng)溫度超過(guò)90 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量氣泡，嚴(yán)重影響設(shè)備的油水分離效果，當(dāng)溫度過(guò)低時(shí)油品黏度增加，脫水效果相應(yīng)變差。

高頻脈沖電脫水技術(shù)節(jié)能效果顯著，工業(yè)試驗(yàn)時(shí)處理量0.5 m3/h，運(yùn)行功率為0.87 kW左右，處理噸液電耗為1.74 kWh。由于一次脫水合格，省去了6#罐、首站1#罐利用余熱蒸汽加熱的費(fèi)用27.18元/t，與目前現(xiàn)場(chǎng)熱化學(xué)重力沉降脫水工藝相對(duì)，效率大幅提高。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)塔河酸化油進(jìn)行高頻脈沖電脫水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)試驗(yàn)的研究得出以下結(jié)論：

（1）經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化得到塔河酸化油高頻脈沖電脫水最佳工藝參數(shù)為：電壓1 300 V，頻率16 kHz，脈寬比70%。

（2）高頻脈沖電脫水對(duì)酸化油、老化油的處理效果較為突出，裝置在設(shè)計(jì)處理量以內(nèi)運(yùn)行能有效地將其含水率降低至1%以下，且來(lái)液量、含水率波動(dòng)對(duì)脫水效果影響不大。

新型脈沖原油脫水器安全環(huán)保，在處理酸化油、老化油時(shí)不需額外添加化學(xué)藥劑，處理后的污水直接進(jìn)入污水處理系統(tǒng)，脫水過(guò)程中也不產(chǎn)生任何廢棄物，可以在塔河油田推廣使用。