采出液超聲破乳技術(shù)應(yīng)用研究*

于惠娟 劉海麗 劉東杰 張建 韓冰 張舒漫

中石化石油工程設(shè)計有限公司

隨著油田進入開采后期及三次采油新技術(shù)的應(yīng)用，原油采出液綜合含水率高達95%以上，采出液性質(zhì)更加復(fù)雜，粒徑更為細(xì)小，處理難度更大。采出液多為水包油型，或為水包油與油包水交替存在的復(fù)雜乳狀液，界面膜強度較高，提升了分水處理難度，對油田生產(chǎn)有極大影響。目前主要采用熱化學(xué)沉降及電脫水技術(shù)對復(fù)雜采出液進行脫水，但部分原油如三次采油產(chǎn)出的水包油型乳化原油、老化油及污水回收油等，由于其化學(xué)成分和乳狀液的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用常規(guī)油水分離技術(shù)和破乳劑均難達到滿意的分水效果，且采出液的處理成本大幅升高。如果采用電脫水器進行處理，由于進入電脫水器的乳狀液導(dǎo)電性增強，會破壞電場，引起跳閘。此外，井排來液含水率較高，大部分破乳劑加入后隨水流失，不能有效分散到乳化液油水界面，僅靠破乳劑的作用，破乳效果有限，脫水率較低。

原油乳狀液的破乳是油水界面膜破裂引起的，通常包括分油、絮凝、膜排水、聚結(jié)、相分離等過程，其中有些過程（如絮凝）是可逆過程，有些過程（如聚結(jié)）則是不可逆過程[1]。復(fù)雜原油采出液的處理除了需開發(fā)高效低溫破乳劑井[2]，還需另辟方法實現(xiàn)。目前研究表明，超聲波破乳法是一種極具潛力的新型破乳法。國內(nèi)外對原油超聲波破乳展開了廣泛研究，且已將其應(yīng)用于老化油、落地油泥及污油等的處理[3-5]。

1 超聲波破乳技術(shù)原理及現(xiàn)狀

超聲波是一種在媒質(zhì)中傳播的彈性機械波。人耳能聽到的聲波頻率的范圍是20 Hz～18 kHz，頻率高于20 kHz 的為超聲波。

超聲波破乳技術(shù)具有能耗低、無污染、快速高效等特點，是處理黏度較高的稠油乳化液的有效途徑。超聲波作用于流體時，會促使介質(zhì)產(chǎn)生位移及相互碰撞，快速實現(xiàn)破乳，提高脫水效率[6]。超聲波對置于超聲場中的介質(zhì)具有機械作用、空化作用和熱學(xué)作用等。采用超聲進行原油破乳脫水主要利用的是超聲波對介質(zhì)的機械作用及熱作用。超聲波的機械作用可促使介質(zhì)“粒子”發(fā)生位移、相互撞擊，使得小液滴聚結(jié)成較大液滴，液滴粒徑增大并在重力的作用下進行沉降分離；超聲波的熱效應(yīng)可以降低原油乳狀液油水界面膜的強度以及原油黏度，從而達到破乳脫水的目的[7]。與常規(guī)方法相比，超聲波破乳技術(shù)能夠有效降低破乳脫水溫度，在常溫條件下就可以起到破乳作用，從而減少加熱設(shè)備的使用（如復(fù)雜的高壓電脫水器），降低處理能耗。

超聲波破乳效果的影響因素包括聲強、頻率、聲波的作用時間、聲波的作用面積、溫度、原油乳狀液的界面張力及黏度、超聲波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、油田采出水油濃度等[8]。國內(nèi)外研究認(rèn)為，對超聲波破乳除油速率影響最明顯的因素是超聲波的聲強和頻率。

國內(nèi)外的超聲波輔助原油破乳技術(shù)主要從超聲波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、超聲波和化學(xué)破乳聯(lián)合、新的聯(lián)合破乳方法等方面進行研究，并將其逐步使用在更難破乳的污油、老化油等[9]。目前，從一種技術(shù)向多種技術(shù)的聯(lián)合破乳是超聲波輔助原油破乳技術(shù)發(fā)展的趨勢，例如：超聲波發(fā)生器的結(jié)構(gòu)從最初的槽式向截錐體、圓柱狀、管狀等方向轉(zhuǎn)變；超聲波的作用方式從與流體的流動方向垂直向與流體的流動方向平行發(fā)展；破乳方式從添加破乳劑和超聲波同時作用破乳向不添加破乳劑只采用超聲波破乳發(fā)展等[3]。

超聲波在油和水中具有較好的傳導(dǎo)性，超聲波破乳適用于各種不同類型的原油乳狀液。同時，超聲波和破乳劑有較好的協(xié)同效果，在常規(guī)脫水法效果不佳的情況下，超聲波的擴散效應(yīng)可以促進破乳劑的分散，提高其作用效率，快速實現(xiàn)原油破乳，大幅度提高脫水效率。超聲波和破乳劑聯(lián)合用于乳化原油的破乳脫水有較好的發(fā)展前景。

2 超聲強化破乳實驗

為提高高含水采出液分水效率，減少后續(xù)加熱爐的負(fù)荷，開展了超聲破乳分水實驗，在加入破乳劑的基礎(chǔ)上，通過超聲波作用使破乳劑快速分散，促進液滴聚并、削弱界面膜強度，達到破乳分水的效果。

實驗采用的超聲波發(fā)生裝置頻率為20 kHz，振子面表振幅為10～80 μm（可調(diào)），油水采出液為500 mL，含水率45%，添加常規(guī)油溶性破乳劑200 mg/L?？赏ㄟ^調(diào)整振子面表振幅來調(diào)節(jié)超聲波強度。

表1 為44 ℃時的靜態(tài)脫水實驗結(jié)果。由表1 可知：不施加超聲作用時，由于實驗溫度較低，無論是否添加破乳劑，都沒有分水現(xiàn)象發(fā)生；施加超聲作用后，分水量明顯增大，特別是在破乳劑和超聲聯(lián)合作用下，即使在44 ℃低溫時，2 h 的分水量達到了100 mL（分水率44 %），最終分水量為200 mL（分水率88 %）；與作用20 s 相比，超聲作用30 s 的分水量明顯下降，作用時間過長會影響破乳效果。

表1 溫度44 ℃時分水效果對比Tab.1 Comparison of dehydration effect at 44 ℃

實驗表明，超聲波對破乳劑擴散及破乳起到積極作用，能有效提高低溫時的脫水效率。超聲作用可使破乳劑在油層快速滲透到達界面膜，其機械、空化及熱效應(yīng)可以削弱界面膜強度，宏觀表現(xiàn)出脫水效果較好，但作用時間過長、強度過大將對破乳產(chǎn)生負(fù)作用[10]。由于油品性質(zhì)的差異，超聲脫水技術(shù)的作用參數(shù)將發(fā)生變化，實際使用時，應(yīng)根據(jù)具體的油品性質(zhì)對參數(shù)進行調(diào)整。

在添加破乳劑、超聲波作用及“破乳劑+超聲波作用”三種工況下采用稠油采出液（原油密度0.965 kg/m3、工況黏度2 900 mPa·s、乳化油含水率39%）進行分水實驗，結(jié)果見表2。實驗表明：在破乳劑和超聲波的雙重作用下，油水乳狀液發(fā)生了良好的破乳及聚并，處理后乳狀液的含水率最低，分水率最高；并且初始含水率越高，破乳劑和超聲波雙重作用的優(yōu)勢越明顯。

表2 分水效果對比Tab.2 Comparison of dehydration effect

3 現(xiàn)場試驗

目前，大部分針對超聲破乳技術(shù)的研究都是實驗室規(guī)模的，真正實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的較少，一方面由于超聲波破乳機理尚不十分清晰，理論分析困難，難于獲得合適的數(shù)學(xué)放大模型；另一方面缺乏適合的超聲波破乳裝備，影響了工業(yè)化應(yīng)用[11]。本研究加工一套Φ1 600 mm×7 000 mm 超聲破乳設(shè)備，現(xiàn)場考察了超聲破乳裝置的分水處理效果，以驗證該技術(shù)的有效性和抗性波動，并指導(dǎo)技術(shù)及裝置的工業(yè)化放大開發(fā)，為進一步現(xiàn)場推廣提供技術(shù)依據(jù)。

3.1 裝置情況

超聲破乳處分水橇裝裝置尺寸為9 m（長）×3 m（寬）×4 m（高），功率為32 kW，質(zhì)量約12 t。該裝置設(shè)有整流區(qū)、超聲作用區(qū)、聚結(jié)沉降區(qū)、水儲存區(qū)、油儲存區(qū)等，其中超聲作用區(qū)設(shè)置10 個超聲振子，單個振子最大功率2 kW（圖1）。根據(jù)油品性質(zhì)，選取最優(yōu)作用時間、作用強度等條件。超聲破乳裝置上設(shè)有油水界面檢測及液位檢測，根據(jù)液位信號控制污水出口電動調(diào)節(jié)閥的開度，實現(xiàn)恒液位調(diào)節(jié)。

圖1 試驗采用的超聲振子Fig.1 Ultrasonic vibrator used in the test

3.2 應(yīng)用效果

某聯(lián)合站采出液處理原采用“三相分離器+高溫沉降”工藝，三相分離器出口原油含水率約為70%，為降低后續(xù)加熱能耗，采用高頻聚結(jié)分水裝置代替了三相分離器，目前進加熱爐的原油含水率雖降低至45%左右，仍有約60%的熱量浪費在水的加熱上。該站原油密度0.965 kg/m3、工況黏度2 900 mPa·s、乳化油含水率39%。為進一步加強低溫下油水的高效分離，將開發(fā)的超聲破乳裝置用于該站生產(chǎn)，降低加熱能耗、縮短處理流程，以解決該聯(lián)合站生產(chǎn)中存在的問題。

試驗1：現(xiàn)場測試了井排進液含水率91%、溫度38～42 ℃、處理量20 m3/h 時，不同破乳劑使用量下的分水效果，對裝置油出口的原油含水率指標(biāo)進行對比，結(jié)果見圖2。此時采出液在裝置內(nèi)停留時間約0.5 h，原油在超聲作用區(qū)停留時間約0.75 h。由圖2 可知，在不使用破乳劑及超聲作用的條件下，裝置出口原油含水率約為60%，處理效果與三相分離器相當(dāng)。施加超聲波作用后，原油含水率可降低至30%左右。在此基礎(chǔ)上添加破乳劑50 mg/L時，原油含水率降低至25%以下，破乳劑的使用量增至100 mg/L 時，原油含水率繼續(xù)下降。

圖2 超聲破乳裝置出口含水率Fig.2 Water content at the outlet of ultrasonic demulsification device

試驗2：現(xiàn)場測試了井排進液含水率91%、溫度38～42 ℃、破乳劑使用量為50 mg/L 時，處理量為10～20 m3/h 的分水效果（原油在超聲作用區(qū)停留時間由1.5 h 降至0.75 h），對裝置油出口的原油含水率指標(biāo)進行對比，結(jié)果見圖3。由圖3 可知：在適當(dāng)范圍內(nèi)，處理量減少（由20 m3/h 降低至15 m3/h），裝置出口原油含水率降低（由25% 降低至20%），這是由于超聲作用較充分，且超聲作用后，裝置內(nèi)的沉降時間增加，分水效果提高；但處理量降低至10 m3/h 時，超聲作用時間過長，造成過乳化現(xiàn)象，對破乳聚并產(chǎn)生負(fù)作用，脫水效果變差，裝置出口原油含水率約為32%。

圖3 不同處理量下的出口含水率Fig.3 Water content under different treatment capacity

3.3 經(jīng)濟效益分析

采用超聲破乳技術(shù)對某聯(lián)合站稠油采出液進行分水處理，有效提高了油水分離效率，可替代站內(nèi)油水分離器及一級沉降罐，縮短站內(nèi)處理流程，減少后續(xù)加熱能耗。在保證出站原油含水率不變的情況下，加熱爐進口原油含水率從45%降至25%，同時加熱溫度降低6 ℃，加熱負(fù)荷降低約50%，節(jié)省天然氣耗量約50%，電負(fù)荷較高頻聚結(jié)分水裝置增加2 倍，原油在超聲作用區(qū)停留時間約0.75 h 時，噸液處理成本整體降低約0.28 元。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果，該技術(shù)如進行推廣實施，生產(chǎn)單位預(yù)計可節(jié)省運行費用290 萬元/年。

4 結(jié)論

超聲波對破乳劑分散及破乳起到積極作用，能有效提高井排來液溫度下的油水分離效率，分水效果好，但超聲作用時間過長、強度過大將對破乳產(chǎn)生負(fù)作用。實驗表明，在進站溫度45 ℃條件下，破乳劑的使用量為50 mg/L，原油在超聲作用區(qū)停留時間約0.75 h 時，稠油采出液通過超聲破乳裝置處理后，油中含水率可由91%降低至25%以下，減少后續(xù)熱化學(xué)沉降所需的加熱能耗50%左右。將超聲技術(shù)應(yīng)用于油水分離，可降低處理能耗，縮減運行成本，有較好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>