三元采出液油水分離過(guò)渡層特性及對(duì)電脫水影響研究

霍妍佳

大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際發(fā)現(xiàn)，當(dāng)三元脫水站前端油井壓裂、管道清垢及老化油回收時(shí)，電脫水器內(nèi)過(guò)渡層會(huì)大量富集，導(dǎo)致電脫水器運(yùn)行不穩(wěn)，出現(xiàn)放水發(fā)黑甚至跨電場(chǎng)的現(xiàn)象，影響外輸油含水率的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)[1]。為保障電脫水器穩(wěn)定運(yùn)行，降低過(guò)渡層對(duì)脫水系統(tǒng)的影響，現(xiàn)場(chǎng)往往采取兩種管理方式：①加大破乳劑藥量，提高油水分離效果，降低二段放水含油；②加大二段放水量，將過(guò)渡層排至沉降罐或事故罐。然而現(xiàn)有藥劑對(duì)過(guò)渡層處理效果不佳，只能通過(guò)底水將電脫水器內(nèi)過(guò)渡層外排[2]。此外，積存在沉降罐內(nèi)的過(guò)渡層在現(xiàn)有老化油處理工藝下無(wú)法有效處理，導(dǎo)致過(guò)渡層在系統(tǒng)內(nèi)惡性循環(huán)，并對(duì)下游水質(zhì)造成影響。因此，為提升脫水系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，需要深化過(guò)渡層的機(jī)理及特性認(rèn)識(shí)，采取有效治理措施，提升電脫水器的抗沖擊能力。

1 電脫水器過(guò)渡層特性研究

1.1 宏觀特性

從宏觀上看，過(guò)渡層外觀呈黃褐色或灰黑色的稠油狀液體，是懸浮于油水兩相之間的成分復(fù)雜的混合物，容易產(chǎn)生掛壁現(xiàn)象（圖1）。此外，與外輸油相比具有高導(dǎo)電性（表1）。

表1 外輸油與過(guò)渡層數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.1 Comparison of data between external transmission oil and transition layer oil

圖1 過(guò)渡層外觀形態(tài)Fig.1 Appearance and morphology of the transition layer

1.2 微觀特性

取20 mL 電脫水器過(guò)渡層，向其加入60 mL 的120#汽油以及20 mL 的超純水進(jìn)行水洗，靜沉后移除汽油相進(jìn)行熒光及鹵素光照射，從微觀形態(tài)上可以看出：在顯微鏡下觀察到乳狀液滴界面膜厚度大，形態(tài)呈多相圈套式，上層存在較多顆粒狀物質(zhì)，乳化液滴為W/O 型或W/O/W 型；下層存在較多的絮狀、團(tuán)簇狀物質(zhì)和黑色固體物質(zhì)，同時(shí)其上粘附有原油，如圖2、圖3 所示。

圖2 過(guò)渡層水洗上層鹵素光/熒光照射Fig.2 Halogen light and fluorescence irradiation to the waterwashed upper layer of the transition layer

圖3 過(guò)渡層水洗下層鹵素光/熒光照射Fig.3 Halogen light and fluorescence irradiation to the water-washed lower layer of the transition layer

取過(guò)渡層油相放在載玻片上，蓋上蓋玻片輕壓并保證透光性，放入光學(xué)顯微鏡進(jìn)行拍照，其油相平均粒徑為0.88 μm，乳化液滴個(gè)數(shù)達(dá)900 個(gè)，油相乳化液滴粒徑分布見(jiàn)表2。

表2 油相乳化液滴粒徑分布Tab.2 Particle size distribution of oil phase emulsion droplets

1.3 組成特性

對(duì)電脫水器內(nèi)過(guò)渡層進(jìn)行組分分析，其中含水量占68.1%，含油量占21.5%，固體雜質(zhì)占10.4%。通過(guò)對(duì)過(guò)渡層中固體雜質(zhì)進(jìn)行差熱-熱重分析，發(fā)現(xiàn)固體雜質(zhì)中無(wú)機(jī)物含量占比達(dá)66.7%，并主要由硅鋁酸鹽和FeS 組成，具體見(jiàn)表3。

表3 過(guò)渡層中固體組成Tab.3 Solid composition in the transition layer 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

綜合分析認(rèn)為，硅鋁酸鹽的多孔性和強(qiáng)吸附性造成油質(zhì)及聚合物在其表面吸附，加之硫化物及微米級(jí)固體顆粒乳化作用，形成的絮狀團(tuán)簇狀物質(zhì)是形成過(guò)渡層的主要組分[3]。此外，經(jīng)檢測(cè)硅鋁酸鹽中硅和鋁的原子數(shù)比值為116∶5，說(shuō)明固體物質(zhì)中存在大量的硅垢，按照SiO2計(jì)算其含量達(dá)到46.54%。

結(jié)合組成及微觀特性認(rèn)識(shí)可以得出：過(guò)渡層是以Pickering 乳狀液（超細(xì)固體顆粒作為乳化劑而形成的乳狀液）的形式存在，其中乳狀液滴表面吸附有大量SiO2固體顆粒，導(dǎo)致了油水分離難度大。

1.4 靜沉分離特性

取電脫水器內(nèi)過(guò)渡層靜置分層后的油相100 mL放入55 ℃恒溫水浴，記錄不同時(shí)間的析出水量。其中，靜沉20 min 后中間層析出水量0.7 mL；靜沉40 min 后中間層析出水量1.4 mL，油相檢測(cè)含水率仍高達(dá)5.24%。由靜沉分離試驗(yàn)結(jié)果可以看出過(guò)渡層內(nèi)乳化液滴難以通過(guò)沉降有效分離，油水分離難度大[4]。

1.5 離心分離特性

取電脫水器內(nèi)過(guò)渡層靜置分層后的油相100 mL放入離心管中，離心時(shí)間20 min，溫度45 ℃，過(guò)程中監(jiān)測(cè)不同轉(zhuǎn)速下離心后的油相含水率。試驗(yàn)結(jié)果顯示：當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min 時(shí)油相含水率為4.2%；隨著轉(zhuǎn)速的提升，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)2 000 r/min 時(shí)油相含水率為0.14%；當(dāng)轉(zhuǎn)速提升至4 000 r/min 時(shí)油相含水率為0.11%。根據(jù)離心分離試驗(yàn)結(jié)果可以看出：隨著離心轉(zhuǎn)速增加，乳化液滴破裂，過(guò)渡層處理效果有所提升。

1.6 電場(chǎng)分離特性

向外輸油內(nèi)加入不同比例的電脫水器過(guò)渡層，利用DTS-3 原油智能脫水儀開(kāi)展室內(nèi)電場(chǎng)分離試驗(yàn)。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況設(shè)置運(yùn)行參數(shù)。其中，運(yùn)行溫度為55 ℃，電壓為6 kV，占空比35%，頻率為0.35 kHz，恒流值30 A。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)過(guò)渡層占比為20%時(shí)，建立穩(wěn)定電場(chǎng)需要21 min；當(dāng)過(guò)渡層占比達(dá)到30%時(shí)，建立穩(wěn)定電場(chǎng)需要52 min，且電場(chǎng)建立過(guò)程中有電流激增的現(xiàn)象，容易導(dǎo)致垮電場(chǎng)現(xiàn)象[5]，如圖4 所示。由此得出，過(guò)渡層比重的增加會(huì)導(dǎo)致電流激增，嚴(yán)重影響電脫水器的平穩(wěn)運(yùn)行。

圖4 不同過(guò)渡層體積下電壓/電流變化曲線Fig.4 Voltage and current change curves under different transition layer volumes

2 不同物質(zhì)對(duì)電場(chǎng)運(yùn)行的影響

結(jié)合過(guò)渡層組分分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)其固體顆粒中主要含有硅鋁酸鹽和FeS，而地層黏土礦物主要為蒙脫土和SiO2，集輸過(guò)程中可能產(chǎn)生Fe2O3。為明確不同固體顆粒對(duì)電脫水器穩(wěn)定的影響程度，進(jìn)行室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，探究其對(duì)電脫水器運(yùn)行的影響界限[6]。

試驗(yàn)過(guò)程：配制聚合物質(zhì)量濃度為400 mg/L，表面活性劑質(zhì)量濃度為180 mg/L，堿質(zhì)量濃度1 000 mg/L 的三元液88 mL 放入到已預(yù)熱712 mL 原油中（含水率11%），分別加入不同濃度的FeS、Fe2O3、鈉基蒙脫土、鈣劑蒙脫土以及SiO2。試驗(yàn)采用T25D25 型號(hào)的高速乳化機(jī)，在11 000 r/min 的條件下進(jìn)行均化10 min，將均化后的樣品放入電脫儀器中，設(shè)置頻率為2.0 kHz，高壓1.5 kV，占空比為30%，恒流值為10 A，在該參數(shù)下電脫試驗(yàn)1 h。過(guò)程中監(jiān)測(cè)記錄不同時(shí)間下電流及電壓的變化以及跨電場(chǎng)情況，摸索不同濃度的腐蝕產(chǎn)物對(duì)采出液電脫水器的影響界限[7]。

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示：FeS 影響電脫水器運(yùn)行的邊界濃度為3 g/L（質(zhì)量濃度，以下簡(jiǎn)稱濃度），F(xiàn)e2O3影響電脫水器運(yùn)行的邊界濃度為0.1 g/L；鈉基蒙脫土影響電脫水器運(yùn)行的邊界濃度為0.05 g/L；鈣基蒙脫土影響電脫水器運(yùn)行的邊界濃度為0.1 g/L；SiO2固體顆粒影響電脫水器運(yùn)行的邊界濃度為0.1 g/L，具體如圖5～圖9 所示。當(dāng)固體雜質(zhì)達(dá)到某一臨界值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流增大，電脫水器發(fā)生垮電場(chǎng)現(xiàn)象。在影響敏感性方面SiO2、鈉基蒙脫土＞鈣基蒙脫土、Fe2O3＞FeS。

圖5 不同濃度FeS 下的室內(nèi)電脫水器試驗(yàn)Fig.5 Indoor electric dehydrator test under different concentrations of FeS

圖6 不同濃度Fe2O3下的室內(nèi)電脫水器試驗(yàn)Fig.6 Indoor electric dehydrator test under different concentrations of Fe2O3

圖7 不同濃度鈉基蒙脫土下的室內(nèi)電脫水器試驗(yàn)Fig.7 Indoor electric dehydrator test under different concentrations of sodium montmorillonite

圖9 不同濃度SiO2下的室內(nèi)電脫水器試驗(yàn)Fig.9 Indoor electric dehydrator test under different concentrations of SiO2

3 電脫分離效果影響因素分析

為明確聚合物、表面活性劑、固體顆粒以及過(guò)渡層內(nèi)含水率等因素對(duì)脫水效果的影響程度，開(kāi)展正交試驗(yàn)評(píng)價(jià)各因素對(duì)電脫分離效果的敏感程度[8]。將分別制備的乳狀液倒入電脫瓶中，按照11 000 r/min 進(jìn)行均化，將均化后的乳狀液倒入電脫瓶中。固定55 ℃，在1 000、2 000、3 000、4 000、5 000、6 000 V 的設(shè)定電壓下進(jìn)行電場(chǎng)處理，分別脫水8 min，累計(jì)脫水48 min，得出各體系的最大運(yùn)行電流及脫水率，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 不同因素對(duì)電脫水器最終電流的影響Tab.4 Influence of different factors on the final current of electric dehydrator

由以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出影響電脫過(guò)程中電流大小的各因素的主次順序?yàn)椋汉剩揪酆衔餄舛龋竟腆w顆粒濃度＞表面活性劑濃度。

4 結(jié)論

（1）宏觀特性上，過(guò)渡層是懸浮于油水兩相之間、高導(dǎo)電性的復(fù)雜混合物[9-10]。

（2）微觀特性上，過(guò)渡層中含有固體微粒及大量粘有原油的團(tuán)簇狀物質(zhì)，易于在電場(chǎng)作用下導(dǎo)電，導(dǎo)致電脫垮電場(chǎng)。

（3）原油及有機(jī)質(zhì)硅鋁酸鹽、FeS 等在油水界面膜表面吸附，是產(chǎn)生絮狀團(tuán)簇狀物質(zhì)從而形成過(guò)渡層的重要原因。

（4）過(guò)渡層內(nèi)乳化液滴難以通過(guò)沉降有效分離，油水分離難度大。

（5）隨著離心轉(zhuǎn)速增加，乳化液滴破裂，過(guò)渡層處理效果有所提升。

（6）過(guò)渡層占比越大，同時(shí)間內(nèi)電流升高越快，電壓越低，建立穩(wěn)定電場(chǎng)所需時(shí)間越長(zhǎng)。

（7）當(dāng)固體雜質(zhì)達(dá)到某一臨界值時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電流增大，電脫水器發(fā)生垮電場(chǎng)現(xiàn)象；影響敏感性方面：SiO2、鈉基蒙脫土＞鈣基蒙脫土、Fe2O3＞FeS。

（8）過(guò)渡層中影響電脫過(guò)程中電流大小的各因素的主次順序?yàn)椋汉剩揪酆衔餄舛龋竟腆w顆粒濃度＞表面活性劑濃度。