海上油田原油靜電聚結(jié)高效脫水技術(shù)研究

陳景峰，李 輝，叢培征，楊曉波，孫延國

(中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司 天津 300452)

0 引 言

傳統(tǒng)的海上油田原油脫水通常采用“三相分離器+電脫水器”處理工藝，整個(gè)流程占地面積大、脫水效率低、能耗高、工作不夠穩(wěn)定，含水量高時(shí)易發(fā)生垮電場(chǎng)現(xiàn)象。為此，科研人員提出先對(duì)油水乳化液進(jìn)行靜電聚結(jié)，使油中水顆粒聚結(jié)變大，然后通過重力沉降進(jìn)行脫水，并根據(jù)這種原理研制了靜電聚結(jié)設(shè)備。目前，隨著海上高含水油田、邊際油田、深水油田和綠色開發(fā)的不斷發(fā)展，對(duì)原油處理設(shè)備有了更加嚴(yán)格的使用標(biāo)準(zhǔn)，并朝著小尺寸、低重量的趨勢(shì)變化。為了滿足這些需求，同時(shí)能夠更好地處理高含水原油，本文對(duì)靜電聚結(jié)高效脫水技術(shù)進(jìn)行分析，闡述靜電聚結(jié)原理以及該技術(shù)的試驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果，并對(duì)該技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1 原油靜電聚結(jié)高效脫水技術(shù)原理

靜電聚結(jié)脫水技術(shù)是通過電場(chǎng)對(duì)原油的作用破壞原油的乳化液、加速水顆粒的聚結(jié)速度，從而提高脫水效率和對(duì)乳化原油的處理能力。水顆粒在均勻交變電場(chǎng)下的靜電聚集機(jī)理主要包括偶極聚結(jié)和震蕩聚結(jié)。對(duì)于不帶電荷的中性水顆粒而言，其會(huì)受電場(chǎng)感應(yīng)而形成誘導(dǎo)偶極，每個(gè)誘導(dǎo)偶極兩端帶等量的異性電荷。當(dāng)2個(gè)誘導(dǎo)偶極非?？拷鼤r(shí)，若其相鄰端帶相反電荷就會(huì)相互吸引而發(fā)生偶極聚結(jié)。與此同時(shí)，每個(gè)誘導(dǎo)偶極兩端因受方向相反、大小相等的 2個(gè)吸引力作用而被拉長成橢球體，雖然并不發(fā)生宏

觀位移，但在交變電場(chǎng)作用下反復(fù)的伸縮震蕩仍會(huì)使得水顆粒表面乳化膜的強(qiáng)度被削弱，最終發(fā)生所謂的震蕩聚結(jié)。對(duì)于帶電荷的極性水顆粒而言，會(huì)受到相反極性電極的引力而向其移動(dòng)靠近，在均勻交流電場(chǎng)中這種往復(fù)移動(dòng)只能在一個(gè)很小的范圍內(nèi)發(fā)生，在小范圍內(nèi)促進(jìn)水顆粒之間的碰撞和聚結(jié)，在油水分離之后水會(huì)通過重力作用而發(fā)生沉降，以此達(dá)到分離效果。作為分散相，水顆粒在連續(xù)的油相之中的沉降速度設(shè)為Vw，根據(jù)Stokes定律可以得到：

式中：g為重力加速度；dw是分散相水顆粒的粒徑；ρ0和ρw分別是油相和水相的密度；μ0和μw分別是油相和水相的動(dòng)力黏度[1]。

從上述公式可以得到，油和水之間產(chǎn)生分離動(dòng)力的主要原因就是兩者之間存在一定的密度差異，分散介質(zhì)的黏度則提供了一定的沉降阻力。油和水在分離過程中水的沉降速度和水的粒徑平方值具有正相關(guān)關(guān)系，可以說水顆粒的大小將直接影響到其沉降速度。當(dāng)水顆粒較小時(shí)(一般是微米級(jí))其沉降速度很小，只依靠重力將很難在短時(shí)間內(nèi)沉降。在這種情況下，如果能夠施加一個(gè)電場(chǎng)，分散相水顆粒則會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)的作用而產(chǎn)生一定的偶極力等電場(chǎng)作用力，導(dǎo)致水顆粒相互接觸并結(jié)合，粒徑也由此增大，從而加快其沉降速度。當(dāng)然，因?yàn)樵诟吆脑椭屑尤腚妶?chǎng)很容易導(dǎo)致短路的情況，所以還需要設(shè)置一定的絕 緣層[2]。

2 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

2.1 不同電壓下的試驗(yàn)結(jié)果

在環(huán)境溫度為80℃的條件下，對(duì)含水量為40%的原油乳化液進(jìn)行試驗(yàn)，施加400～2800V的電場(chǎng)20min，觀察在該范圍內(nèi)電壓的作用下其靜電聚結(jié)脫水效果，如圖1所示。可以發(fā)現(xiàn)電壓升高后原油的乳化液含水量大大降低。在電壓達(dá)到800V以上后原油乳化液脫水率達(dá)到了82%；在電壓達(dá)到2800V以上后原油乳化液脫水率達(dá)到了91%。因?yàn)樗陨淼臉O性，所以其能夠在電場(chǎng)中發(fā)生多類聚結(jié)。在交流電場(chǎng)中，水主要發(fā)生偶極聚結(jié)和震蕩聚結(jié)。在電壓升高之后，水顆粒將具有更大的凝聚力和沉降速度，但是在2000V左右再繼續(xù)增大電壓，水顆粒的大小和沉降速度將不再改變，此時(shí)粒徑和速度達(dá)到最大。該試驗(yàn)結(jié)果具有一般性，不同的電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)水滴凝結(jié)程度的影響一致[3]。

圖1 脫水效果和加入電壓的關(guān)系 Fig.1 Relationship between dehydration effect and input voltage

2.2 不同含水量的試驗(yàn)結(jié)果

在上述相同的環(huán)境溫度和電場(chǎng)作用時(shí)間下，以2000℃為試驗(yàn)電壓對(duì)含水量為20%～60%的原油乳化液進(jìn)行試驗(yàn)(試驗(yàn)含水量梯度以10%遞增)。結(jié)果如圖2所示。

圖2 脫水效果與含水量的關(guān)系曲線 Fig.2 Relation curve between dehydration effect and water content

通過曲線可以得到，該技術(shù)對(duì)20%～60%含水量的乳化液有著非常好的脫水效果，其脫水率在80%以上。而在相同條件下，原油乳化液含水量增加后其脫水率會(huì)降低。

2.3 不同水力停留時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)條件與上述一致，采用2000V電壓和40%含水量的原油乳化液，設(shè)置水力停留時(shí)間為4～40min，分析該時(shí)間范圍內(nèi)的聚結(jié)脫水效果，如圖3所示。

圖3 脫水效果與水力停留的關(guān)系曲線 Fig.3 Relation curve between dehydration effect and residence time

通過曲線可以發(fā)現(xiàn)，在水力停留時(shí)間增加的情況下，40%乳化液的含水量不斷降低，脫水率在增加到一定程度后變緩。水力停留時(shí)間為10min左右時(shí)脫水率就可以達(dá)到80%。

3 某油田稠油室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

該稠油油田內(nèi)含水原油含水量52%，為高黏原油。取60g乳狀液對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)(脫水效果與電壓的關(guān)系、脫水效果與溫度的關(guān)系和脫水效果與水力停留的關(guān)系)，試驗(yàn)結(jié)果如下。

①脫水效果與電壓的關(guān)系。溫度為15℃，預(yù)熱時(shí)間15min，通電40min?？梢园l(fā)現(xiàn)在溫度和水力停留時(shí)間不變的情況下，電壓升高時(shí)該原油乳化液的脫水量也在不斷增加，脫水率持續(xù)升高。在電壓達(dá)到2500V左右時(shí)脫水效果達(dá)到最高，剩余水的占比降至22%以下。

②脫水效果與溫度的關(guān)系。在電壓2500V、通電時(shí)間40min的試驗(yàn)條件下，如果水顆粒的沉降僅僅依靠重力，溫度升高后并不會(huì)引發(fā)脫水效果的增加。溫度范圍在80～120℃時(shí)，在1h內(nèi)沉降效果并不佳；溫度為140℃時(shí)，1h內(nèi)僅有少量的水分析出；而通電之后，其脫水量則大幅增加[4]。

③脫水效果與水力停留時(shí)間的關(guān)系。溫度為 90℃，在2500V電壓下通電40min，可以發(fā)現(xiàn)在該試驗(yàn)條件下，水力停留時(shí)間延長后，試驗(yàn)樣品的含水量降低速度較快，脫水率較高，而持續(xù)增加水力停留時(shí)間后其脫水率增速將放緩。

根據(jù)上述3個(gè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可以得出，通過原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)來脫水的原油將獲得較好的脫水效果，脫水率也很高，比常規(guī)處理的脫水技術(shù)更加 優(yōu)越。

3.1 某油田混合油樣試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)某油田輕質(zhì)油和中質(zhì)油2∶1混合油進(jìn)行電脫水試驗(yàn)，重點(diǎn)研究電脫水溫度、電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)和加電時(shí)間對(duì)脫水率的影響，觀察并記錄使脫水后原油含水率達(dá)到＜0.5%時(shí)所用的時(shí)間。電脫水試驗(yàn)的原油含水率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%。

①脫水試驗(yàn)?zāi)康模簷z測(cè)電脫水溫度、電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)和加電時(shí)間對(duì)脫水率的影響。電脫水溫度分別為50、60、70℃；電脫水沉降時(shí)間對(duì)脫水率的影響，時(shí)間范圍為5、10、15、20min。

①脫水試驗(yàn)結(jié)果：對(duì)某油田原油5%～30%乳化含水油進(jìn)行電脫水試驗(yàn)，在50～70℃(試驗(yàn)點(diǎn)間隔為10℃)分別在0.6、0.8、1.1kV/cm 3種場(chǎng)強(qiáng)電場(chǎng)作用下進(jìn)行電化學(xué)脫水試驗(yàn)，不同乳化油含水率隨加電時(shí)間的變化率情況見表1～3。

表1 某油田輕質(zhì)油∶中質(zhì)油＝2∶1在50℃電脫數(shù)據(jù) Tab.1 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 50℃

表2 某油田輕質(zhì)油∶中質(zhì)油＝2∶1在60℃電脫數(shù)據(jù) Tab.2 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 60℃

續(xù)表2

表3 某油田輕質(zhì)油∶中質(zhì)油＝2∶1在70℃電脫數(shù)據(jù) Tab.3 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 70℃

②電脫水試驗(yàn)結(jié)論：在50℃下，15%～30%含水油在0.6kV/cm 場(chǎng)強(qiáng)下加電10～20min，原油含水率均＜0.5%；5%～30%含水油在0.8～1.1kV/cm場(chǎng)強(qiáng)下加電5～20min，原油含水率基本＜0.5%；在60℃下，5%～30%含水油在0.6kV/cm 場(chǎng)強(qiáng)下加電10～20min，原油含水率達(dá)標(biāo)，在0.8～1.1kV/cm場(chǎng)強(qiáng)下加電5～15min，原油含水率均＜0.5%；在70℃下，5%～30%含水油在0.6kV/cm 場(chǎng)強(qiáng)下加電5～20min原油含水率達(dá)標(biāo)，在0.8～1.1kV/cm 場(chǎng)強(qiáng)下加電5～15min，原油含水率均＜0.5%。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究

3.2.1 相關(guān)設(shè)備

在某油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，采用的靜電聚結(jié)設(shè)備如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 Device diagram

該設(shè)備的最大處理量可達(dá)40m3/h。實(shí)際試驗(yàn)過程中進(jìn)入該設(shè)備的樣品將從測(cè)試分離器進(jìn)料口引出，其各項(xiàng)參數(shù)與三相分離器基本一致。將三相分離器和電脫水器的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以此來考察該脫水技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用效果。

3.2.2 測(cè)試結(jié)果

設(shè)置水力停留時(shí)間為40min，2個(gè)設(shè)備的水力停留時(shí)間相同，由此考察電壓對(duì)于原油乳化液脫水的實(shí)際效果。

從圖5可以看出，在靜電場(chǎng)作用后可以大幅降低原油的含水量，三相分離器的測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)不如測(cè)試分離器。在電壓提升到8kV后，可以發(fā)現(xiàn)其脫水效率提高的幅度并不大，但是繼續(xù)升高后脫水效果將明顯升高。結(jié)果表明即使原油的含水量在88%～96%之間，通過該方法也可以有效地將含水量降低至2%及以下，這就體現(xiàn)了靜電聚結(jié)高效脫水技術(shù)的優(yōu)越性。

圖5 脫水效果與電壓的關(guān)系曲線 Fig.5 Relation curve between dehydration effect and voltage

水力停留時(shí)間為10min，僅為三相分離器的1/4，原油脫水后含水率降到了8%以下，而自由水分離器脫水后的含水率則在50%左右。另外，在相同的脫水能力下，靜電聚結(jié)高效脫水技術(shù)設(shè)備尺寸和質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于三相分離器。

原油靜電聚結(jié)高效脫水技術(shù)通過絕緣電極來進(jìn)行水顆粒的聚集過程，通過電場(chǎng)來加速油和水的分離，一方面加大了水的聚集和沉降速度，另一方面也避免了因電流過大而導(dǎo)致短路的情況。而以脫水效果來看，其脫水能力明顯高于同等級(jí)體量的三相分離器。綜上所述，該技術(shù)對(duì)于原油高含水的情況有著非常好的處理能力和適應(yīng)性[5]。

4 結(jié) 語

本文探討了關(guān)于原油靜電聚結(jié)高效脫水技術(shù)的相關(guān)原理，總結(jié)了室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用3方面的試驗(yàn)結(jié)果。此次試驗(yàn)研究證明了靜電聚結(jié)技術(shù)應(yīng)用于油田現(xiàn)場(chǎng)的可行性，為這些技術(shù)應(yīng)用于油品性質(zhì)不同的油田積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)目前國內(nèi)油田中較難分離的稠油采出液和聚合物驅(qū)采出液的脫水處理也有參考價(jià)值。可以說，該技術(shù)有著非常好的水分離效果，同時(shí)還兼具小體積和低重量的優(yōu)勢(shì)，是未來海上油田稠油脫水處理的重要技術(shù)基礎(chǔ)?！?/p>