稠油高壓高頻電脫水技術試驗研究

張旭 楊劍

1中油遼河工程有限公司

2中國石油新疆油田分公司實驗檢測研究院

稠油脫水是原油初加工過程中非常重要的工藝流程。對于油品密度相對較高、氣油比低的老油田，稠油脫水普遍采用傳統(tǒng)的兩段熱化學沉降脫水工藝，脫水原理為化學藥劑破乳+重力沉降脫水。這種脫水技術需要大罐作為稠油脫水的載體，其工藝流程簡單，脫水效果較好，運行穩(wěn)定，抗沖擊能力強，適宜油田工況不穩(wěn)定的生產(chǎn)條件。但該脫水工藝存在脫水時間長、占地面積大、加藥量大、熱能消耗高等問題[1]。近年來，各油田對稠油脫水新工藝、新技術進行探索，遼河油田也開展了高壓高頻電脫水技術試驗研究。

1 稠油脫水工藝現(xiàn)狀

以某聯(lián)合站三區(qū)火驅稠油為例，原油密度（20 ℃）為932 kg/m3，50 ℃和70 ℃時 黏 度分別為372～560 和72～117 mPa·s，脫水工藝流程采用二段熱化學沉降脫水工藝，對該區(qū)原油脫水運行的工況及能耗點進行分析。稠油進站溫度為50～60 ℃，經(jīng)加熱爐加熱至72 ℃，進入一級沉降罐，經(jīng)2 d 脫水后原油含水率12%；進入二級沉降罐脫水，沉降時間為2～3 d，原油含水率≤1.5%，合格外輸。三區(qū)處理液量為2 442 m3/d，油量為863 m3/d，該運行工況下實際耗電量為574 kWh/d，耗氣量為4 596 m3/d，加藥劑量為0.258 t/d，運行成本為10 700 元/d，其中天然氣耗費占總體成本費用的76.4%。為降低原油脫水成本，在該區(qū)開展高壓高頻電脫水技術中試試驗，并對其試驗數(shù)據(jù)進行分析研究。

2 高壓高頻電脫水技術試驗

2.1 脫水原理

高壓高頻電脫水工藝中的電破乳原理為：原油乳狀液中的水滴受電場力的作用，使其油水界面膜發(fā)生破裂，水滴從原油乳狀液中分離出來，進而形成水鏈，最后完成水滴聚結。與傳統(tǒng)電脫水工藝相比，處理高含水原油時的電場采用高頻脈沖電場，將正弦電波整流成脈沖電波，從而避免了因含水率過高而形成水鏈導致電場被擊穿的問題[2]。影響電場的主要參數(shù)為場強、頻率、占空比。場強是影響水滴變形的主要因素，場強越大則水滴界面膜越易破裂；頻率越高則水滴在場強中的運動越劇烈，當電場頻率與水滴頻率相同時，就會產(chǎn)生共振進而實現(xiàn)水滴與油滴快速分離；占空比越短則場強作用的時間越短，反之，占空比越長則場強時間越長，場強作用時間的長短決定了高含水原油在形成水鏈的過程中發(fā)生電極板短路概率的大小[3]。

2.2 脫水試驗流程及試驗參數(shù)

以三區(qū)原油為試驗介質，開展高壓高頻電脫水技術現(xiàn)場中試試驗。工藝試驗流程見圖1。

圖1 高壓高頻電脫水工藝試驗流程圖Fig.1 Test flow of high voltage and high frequency electric dehydration process

三區(qū)進液量為10 m3/h，一段脫水溫度為50～60 ℃，一段平均脫水時間2 h，二段脫水溫度70～90 ℃，平均進口含水率≤11%，二段平均脫水時間4 h。一段電脫水器電場參數(shù)設定[4]：電壓≤1 000 V，頻率6 000 Hz，占空比為10%。二段電脫水器電場參數(shù)設定：電壓≤2 000 V，頻率8 000 Hz，占空比為30%。2019年對該套工藝流程參數(shù)進行3個月的數(shù)據(jù)監(jiān)測，考察各參數(shù)指標并分析整理相關數(shù)據(jù)。

2.3 脫水試驗數(shù)據(jù)

一段原油進口含水率為50%～90%，平均含水率為72.5%時，一段原油出口含水率6%～12%，原油含水率變化見圖2；二段原油進口含水率為6%～12%時，原油出口含水率≤1.5%，原油含水率變化見圖3。

圖2 一段原油進出口含水率變化曲線Fig.2 Water content changing curve of first stage crude oil intet and outlet

圖3 二段原油進出口含水率變化曲線Fig.3 Water content changing curve of second stage crude oil inlet and outlet

一段原油脫水溫度在50～68℃之間，原油溫度變化見圖4；二段原油脫水溫度在75～80 ℃之間，原油溫度變化見圖5。

圖4 一段原油脫水溫度變化曲線Fig.4 Temperature changing curve of first stage crude oil dehydration

圖5 二段原油脫水溫度變化曲線Fig.5 Temperature changing curve of second stage crude oil dehydration

一段污水含油濃度≤1 000 mg/L，懸浮物濃度≤350 mg/L，水質指標變化曲線見圖6；二段電脫水器污水含油濃度≤600 mg/L，懸浮物濃度≤300 mg/L，水質指標變化曲線見圖7。

圖6 一段污水指標變化曲線Fig.6 Changing curve of first stage sewage index

圖7 二段污水指標變化曲線Fig.7 Changing curve of second stage sewage index

2.4 脫水技術分析

以電場破乳聚結基本原理為依托，通過調整電場主要參數(shù)來改進原有的電脫水技術，形成新型高壓高頻電脫水處理工藝技術。新型電脫水技術具有以下幾個特點：

（1）擴大原油電脫水技術處理油品含水率的應用界限。原有電脫水方法只適用于處理油包水型乳狀液，其含水率小于30%[5]，新型高壓高頻電脫水工藝可處理水包油型乳狀液，且所處理的原油含水率可達95%。為了克服高壓電極板擊穿現(xiàn)象，采用電壓控制系統(tǒng)監(jiān)測電極板間的電流，當電流超過設定值時，PLC控制系統(tǒng)對電壓值進行調整直至滿足電極板不擊穿條件，從而保護電極板。

（2）擴大處理介質黏度的應用范圍。原有處理介質黏度為操作溫度下運動黏度，宜低于50 mm2/s[5]，而三區(qū)原油運動黏度在400～600 mm2/s。

（3）改進裝置內(nèi)部結構設計，在裝置底部增加電極板聚結功能。依據(jù)新型高壓高頻電脫水的技術原理，在原有電破乳功能的基礎上，增加電聚結技術，通過兩種技術的結合，可使水滴聚并時間縮短，從而達到高效脫水的目的。

（4）整合電脫水器內(nèi)部結構，采用分區(qū)設置。將脫水裝置分為三個區(qū)域，即低壓高頻區(qū)、高壓低頻區(qū)、電聚結區(qū)域[6]。低壓高頻區(qū)主要處理水包油型乳狀液，高壓低頻區(qū)主要處理油包水型乳狀液，在電聚結區(qū)域將低壓高頻區(qū)、高壓低頻區(qū)破乳后的小水滴水鏈聚結形成大水滴，從而達到油水分離的目的。

（5）根據(jù)原油乳狀液含水率的不同，將新型高壓高頻電脫水裝置分成兩種裝置，即一段電脫水裝置和二段電脫水裝置。

（6）優(yōu)化原油脫水工藝參數(shù)。聯(lián)合站稠油一段脫水溫度平均降低25 ℃，一段脫水時間由30 h 降低至2～2.5 h，二段脫水時間由48 h降低至4 h，該套工藝流程無需加藥。

3 結論

通過對稠油脫水工藝進行探索，遼河油田在兩段高壓高頻電脫水工藝處理高含水稠油中取得了較好的試驗效果。該工藝實現(xiàn)稠油全密閉脫水，且采用一段不加熱，二段少加熱、全程不加藥脫水方法，大大降低了原油處理的運行成本。試驗脫水運行參數(shù)為：原油進口含水率為50%～90%，一段脫水溫度為50～60 ℃時，一段原油出口含水率為6%～12%；二段脫水溫度為75～80 ℃時，原油出口含水率≤1.5%，污水含油濃度≤1 000 mg/L，懸浮物≤350 mg/L。與傳統(tǒng)兩段熱化學沉降脫水工藝相比，原工藝運行成本為4.36 元/t，而兩段電脫水工藝噸液運行成本為1.63 元/t，運行成本降幅較大。該項技術可在節(jié)能降耗的同時提高脫水效率、密閉率，降低油品呼吸損耗，減少大罐更新改造等投資，有很大的發(fā)展空間及利用價值。