原油采出液脫水工藝方法研究進展

摘""要""隨著各大油田進入開采后期，“三采”和各種驅油技術的應用使得采出液中的水含量日益升高，乳狀液的破乳難度也逐漸加大?？偨Y歸納了目前常用的脫水技術及其特點，包括沉淀法、化學法和電場力法。此外，還介紹了如超聲波、纖維膜及機械旋流等脫水新方法的研究進展，并探討其應用前景。分析了常見原油脫水工藝存在的問題與不足，對3種新脫水工藝進行了綜述，并對未來原油脫水研究方向進行了展望。

關鍵詞""原油脫水 "方法 "工藝" " " " "DOI：10.20031/j.cnki.0254-6094.202406003

中圖分類號""TE86 """""""""""""""文獻標志碼""A""""""""""""""""文章編號""0254-6094（2024）06-0000-00

隨著全球經(jīng)濟和工業(yè)的發(fā)展，對能源的需求呈現(xiàn)出不斷增加的態(tài)勢，石油作為一種重要的能源被廣泛使用。但是，原油采出液中所含水分和雜質嚴重影響了儲運、加工等過程。水在原油中形成的乳液會增加生產(chǎn)和運輸石油成本，并伴隨管道腐蝕等一系列問題，而且會提高加熱設備負荷，增加能耗，因此需要對原油采出液進行脫水處理[1]。原油脫水預處理技術的研究具有重要的工程實踐意義，該技術可以降低原油中的水分含量，從而減輕后續(xù)處理環(huán)節(jié)的負擔，提高石油生產(chǎn)效率，減少環(huán)境污染。

筆者總結了目前常規(guī)的原油脫水方法，對新型原油脫水方法研究現(xiàn)狀進行綜述。針對目前生產(chǎn)中常用的脫水方法提出了設置預處理環(huán)節(jié)、選擇合適的破乳劑的建議，并調研綜述了一種新脫水裝置和兩種新脫水工藝，對未來原油脫水發(fā)展做出展望，可為工程實際應用提供思路。

1""常用原油脫水方法

1.1""重力沉降法脫水

重力沉降脫水是目前最直接、最傳統(tǒng)的分離方式。該技術是將含油污水等混合物靜置于沉淀池、沉降罐等大型沉降設備中，由于水的密度大于原油的密度，因此水滴會下沉形成水層，而油滴則上浮至池面形成油層，從而達到分離油水的目的。為了增強分離效果，可以向待處理原油中加入輕質油或水溶性添加物等[2]，擴大油水間的差異。由于原油的膨脹系數(shù)大，對其加熱后黏度會有所降低，使得原油與水的密度差變大，因此在重力沉降之前可對原油進行加熱，提高分離效率。雖然這種方法操作簡單易行，但需要很長時間才能達到較好的效果，且處理效率依賴于溫度、原油性質等因素，因此通常被用于預處理階段。

1.2""熱化學破乳法脫水

熱化學破乳法脫水是一種有效的脫除油水乳狀液中乳化水的方法，特別是針對高度乳化的原油采出液。目前在各大油田得到了廣泛應用[3]。該方法是向原油乳狀液中加入一種或多種表面活性劑（即破乳劑），并伴有加熱環(huán)節(jié)以提高反應速度。由于表面活性劑分子中既含有親水基又含有親油基，可以在采出液油水界面上吸附，使液珠相互碰撞，從而達到破壞或松動原有油水界面膜的目的，并釋放乳化水實現(xiàn)分離油水。破乳效果受到破乳劑分子親水基團、親油基團的性質以及破乳劑用量的影響，單一破乳劑對不同原油的適用性有限[4]，因此通常采用復配破乳劑來進行處理；破乳效果還受到溫度的影響，在適宜溫度下，破乳速度越快效果越好，過高或過低的溫度都會使破乳效率降低。由于原油破乳機理和組成的復雜性，熱化學破乳法需要進一步研發(fā)和改進，例如準確測定使用劑量、研發(fā)可持續(xù)性藥劑等問題。因此，開發(fā)智能、環(huán)保、高效的破乳劑仍然具有挑戰(zhàn)性。

1.3""電場力脫水

電場力脫水是一種利用電場作用下油水界面膜中帶有額外電荷的分子的運動排列，實現(xiàn)原油脫水和沉降的方法。這種方法通過破裂乳化膜，使分散相液滴電泳聚結，有效增大分散相液滴粒徑，最終實現(xiàn)沉降分離[5]。

在傳統(tǒng)的電脫水器中，主要利用靜電聚結的原理來實現(xiàn)油水分離。通過施加高壓電場，使帶電的油滴在電場作用下產(chǎn)生電泳效應，并逐漸聚集成較大的液滴。通過聚結效應，油滴和水滴得以分離，從而達到脫水的目的。同時，利用靜置沉降的原理，油滴和水滴中存在的密度差異也有助于兩者的分離。這種電脫水方法在處理高于30%含水量的原油時會顯現(xiàn)出一定的局限性。盡管如此，國內外的學者們仍然進行著大量研究，以提高電脫水器在更廣泛范圍內的適用性。2017年，中海油研究總院在海上平臺使用自主改良的電脫水試驗樣機進行現(xiàn)場試驗，結果表明該技術的效率比常規(guī)自由水分離器至少提高了50%[6]。李金玲等以聯(lián)合站實際生產(chǎn)流程中游離水脫出油進行試驗，對比研究了三元驅原油、水驅原油和水驅-三元驅混合油的電脫水效應，旨在避免“垮電場”現(xiàn)象，為新工藝流程、新裝置結構提供思路[7]。張超分析了現(xiàn)場含聚采出液的物理特性，利用室內二級電脫水裝置研究場強、交直流類型、采出液含水量等參數(shù)，得出了最佳工況，為含聚采出液電脫水器的優(yōu)化提供依據(jù)[8]。YANG"D F等分析了頁巖油乳化特性對電脫水過程的影響機理，并研究了不同種類變壓器處理典型頁巖油的脫水性能，最終發(fā)現(xiàn)高強度電場可加速液滴震蕩，對頁巖油中小直徑液滴具有較強適應性[9]。

2""新型原油脫水方法

隨著環(huán)保意識的不斷提高和能源需求的日益增長，原油脫水技術成為了石油化工、儲運、集輸?shù)阮I域中的重要問題。傳統(tǒng)的原油脫水方法存在著效率低、設備復雜、環(huán)境不友好等各式各樣的缺陷，因此新型原油脫水方法的研究及相關設備的開發(fā)逐漸被重視。

2.1""超聲波脫水

超聲波脫水是利用超聲波的機械振動和熱作用，實現(xiàn)高效油水乳狀液的分離。超聲波通過產(chǎn)生位移效應，使得乳化水珠在波腹或波節(jié)處聚集并發(fā)生碰撞，從而生成更大的水滴。這些水滴最終與油相分離，達到脫水效果[10]。在超聲波傳播時的機械振動和壓縮性變化會引起局部的溫升效應，這種熱作用對于脫水過程也起到了一定的作用。超聲波脫水適用于各種類型的原油乳狀液的破乳，并且不需要添加化學劑[11]，具有環(huán)保的優(yōu)勢。它可以在短時間內顯著降低油污中的含水量，使其低于85%[12]。

盡管在我國的一些油田已經(jīng)成功應用了超聲波破乳技術[13～15]，但是目前工業(yè)化應用實例還不多見。未來，對于超聲波脫水技術的研究仍需深入，包括超聲波在乳狀液體中的傳播特性、介質分子的運動機制等機理的研究；其次，需要研制高效、連續(xù)的超聲波脫水設備，以解決目前超聲波脫水技術在工業(yè)應用中面臨的一些難題，如大規(guī)模處理、連續(xù)操作等。

2.2""膜過濾脫水

破乳劑在工業(yè)上被廣泛應用，但不可循環(huán)的化學破乳劑在脫水過程后的殘留物可能會對原油產(chǎn)品產(chǎn)生二次危害，并可能在隨后的提質過程中造成嚴重問題[16]。因此，不會產(chǎn)生二次危害的過濾技術，已成為學者們的研究方向之一。

纖維膜技術作為一種潛力巨大的分離技術，能夠高效地實現(xiàn)油水乳狀液的分離。該技術利用傳質機理，在纖維絲表面形成液膜，并通過外力使油相和水相在細纖維上分離流動，由于表面張力和纖維的潤濕性不同，水相形成較大面積的水膜，而油相則快速流下。通過細纖維間的摩擦力，水膜會逐漸變得更薄，從而實現(xiàn)油水之間的傳質和分離[17]。與傳統(tǒng)分離方法相比，纖維膜技術具有許多優(yōu)點。首先，纖維膜可以重復使用，降低了處理成本；其次，纖維膜技術所需的能量消耗相對較低，提高了能源利用效率；此外，纖維膜技術的操作相對簡單[18，19]，這些特點使得纖維膜技術在分離領域具有廣泛的應用前景。

為了實現(xiàn)超疏油行為，WANG"J T等在水熱反應器中將MnO2納米晶體膜涂覆在不銹鋼網(wǎng)上，得到了具有超疏水性的金屬網(wǎng)，在酸性、堿性及高濃度鹽溶液等惡劣環(huán)境中依舊保持高油水分離性能[20]。HE"X等設計了一種新的磁性Janus納米顆粒，實驗表明在甲苯和去離子水的清潔界面上表現(xiàn)出優(yōu)異的界面活性[21]。由于磁性納米顆粒表面涂層纖維素材料的生物降解性和環(huán)境友好性，可以實現(xiàn)原油乳液的有效脫水，同時不會對最終原油產(chǎn)品產(chǎn)生二次危害。

膜過濾技術的應用受到一定限制。例如，分離后的膜需要定期清理，否則容易受到污染；滲透通量相對較低，導致處理量受限。因此，人們在使用纖維膜技術時應當充分考慮其特點和局限性，并根據(jù)具體情況進行優(yōu)化和改進。

2.3""高頻脈沖電脫水

我國的原油電脫水技術已經(jīng)較為成熟，但對于稠油和超稠油的電脫水仍存在操作上和處理效率上的問題。隨著原油開采的深入發(fā)展，瀝青質量、膠質和石蠟含量增加，液滴聚合難度更大，并且導通電極的長水鏈頻繁出現(xiàn)導致設備斷電、無法正常工作。高頻脈沖電脫水是一種新的破乳脫水技術，與常規(guī)電脫水不同，它在交、直流電場波形上疊加了高頻脈沖信號。脈沖放電的引入會產(chǎn)生振動波，這些振動波會影響分散相（水滴）周圍或內部的流速，誘使界面張力引發(fā)油水界面的流動，進而實現(xiàn)油水分離。在高頻脈沖電脫水過程中，電場非常穩(wěn)定，耗電低且可能實現(xiàn)連續(xù)脫水，因此具有良好的實際應用前景。

然而，在實際應用中，必須充分考慮脫水效果與能耗之間的關系，以實現(xiàn)高效低耗的脫水要求。目前，已有大量學者對其機理進行了深入研究。金有海等通過正交試驗探究了脫水電壓、電場頻率及初始含水量等參數(shù)變化下脫水效率的相關變化情況，并發(fā)現(xiàn)存在最優(yōu)值[22]。針對電場中液滴聚并、成鏈、破碎機理，李彬等通過顯微實驗，探索了水鏈在均勻電場中形成和消散過程的方式和機理[23]；樊玉新等研究了無機鹽和電場參數(shù)對水滴成鏈的影響，通過調節(jié)電場參數(shù)，如電場強度和頻率，可以控制水滴成鏈的形態(tài)和穩(wěn)定性[24]；周衍濤等探究了非均勻電場中電場和物性參數(shù)對水滴成鏈和聚合的影響，發(fā)現(xiàn)在非均勻高頻脈沖電場中，水滴的成鏈與聚合是同一過程的不同階段[25]；孫治謙等通過實驗研究加模擬驗證的方式，研究了極板結構和布置形式對高頻脈沖電脫水性能的影響[26]。

為解決塔河油田酸化油乳化程度高、傳統(tǒng)方法難以實現(xiàn)深度脫水的問題，張倩等提出了以高頻脈沖原油脫水裝置為核心的新型酸化油脫水技術。在工業(yè)試驗中，該裝置表現(xiàn)穩(wěn)定可靠，效率也大幅超越了現(xiàn)場熱化學重力沉降脫水工藝[27]。針對頁巖油凝點高、乳化程度高，傳統(tǒng)脫水處理難以實現(xiàn)深度脫水，且處理流程長能耗高的問題，馮小剛等通過采用高頻脈沖脫水技術處理，有效減少了油氣損耗，并簡化了處理流程[28]。

2.4""旋流聚結脫水

旋流聚結脫水是利用離心力促使油水混合物中的油相形成大油滴并快速下降，達到油水分離的目的。水力旋流器是常用設備，該設備能夠通過產(chǎn)生旋轉流場實現(xiàn)油水分離。來液由入口進入造旋部件內部，在其作用下產(chǎn)生切向速度和軸向速度后，進入旋流腔并形成切向旋流場。液流開始作螺旋運動并整體向底流管方向移動。由于油水兩相之間存在密度差，密度較大的水相在離心力的作用下逐漸向邊壁移動形成外旋流，液流中的油滴在此過程中分離并相互碰撞聚結，粒徑由小變大。經(jīng)過圓錐面收縮加速，旋流器內徑向壓力分布不均勻，在軸心處形成低壓區(qū)，此時油相逐漸向低壓區(qū)移動。水作為重相從底流管形成下行流，而油作為輕相受到水相的阻礙無法從底流口排出，在流體推動和低壓區(qū)的雙重作用下形成向上的旋轉運動，形成內旋流，最終從溢流出口排出，從而實現(xiàn)油水分離[29]。

低溫旋流脫水技術在油田開發(fā)中具備多項優(yōu)勢：無需加熱即可將絕大部分水分離，降低了后續(xù)加熱所需的能源消耗；在脫水過程中無需或僅需少量使用藥劑，顯著降低了藥劑費用，并有利于后續(xù)的污水處理；采用短流程密閉方式進行操作，且能夠大幅度降低含油污泥的產(chǎn)生量，因此不會對環(huán)境造成污染。為應對錯綜復雜的工況，人們對設備的分離性能要求越來越高，諸多學者專注于改進優(yōu)化旋流器結構、提高分離效率的研究。宋民航等提出了一種更緊湊的二次分離水力旋流器，以解決傳統(tǒng)液-液旋流器存在的問題，并設計了分散相梯級聚結旋流器以實現(xiàn)梯級高效聚結，提高分離效率[30]。李新亞等研究了倒錐注氣強化井下油水分離旋流器的性能，實驗和數(shù)值模擬結果表明該方法可提高油水分離效率[31]。畢京賀等采用雷諾應力模型和Eulerian多相流模型對軸流式旋流器分離性能進行模擬研究，探索了溢流比、進料比及入口流量等操作參數(shù)對分離效率的影響，并得出了最佳效率工況參數(shù)[32]。王振波等提出了一種新型的軸流式高效水力旋流器，此類旋流器采用導葉方式代替切向入口，具有能耗低、操作彈性大等優(yōu)點，目前已經(jīng)投入工程應用并取得了良好的效果，成為工業(yè)上的重要設備之一[33]。

3""原油脫水工藝

目前大多數(shù)的油田生產(chǎn)過程中采用的工藝依舊是油氣水三相分離技術，即通過熱化學沉降分離、混凝沉降分離及電脫水等方法，將油氣水徹底分離開來，以獲得合格的油[34，35]。然而傳統(tǒng)的原油脫水工藝存在著流程不密閉、加入藥品多及能耗高等問題。目前許多研究工作主要集中在原油乳狀液的化學和熱處理上。然而，對于將高效、低耗的方法相結合形成新工藝，進行油水分離的研究和進展還不夠，以下3個工藝改進方向可供參考。

3.1""設置有效的預處理

在進行含水原油的脫水之前，必須實施適當?shù)念A處理步驟。原因在于從油井產(chǎn)出的含水原油本身存在多個問題，包括溫度過低、高度乳化及高泥沙含量等，這些問題會對后續(xù)的脫水處理效果產(chǎn)生影響。為了能夠高效地進行含水原油的脫水，首先需要對其脫水難度進行分析，并選擇適合的脫水處理方法進行進一步處理。例如，在進行旋流分離前首先通過重力沉降池分離出采出液中的部分泥沙，以防對后續(xù)精細設備造成磨蝕，加速老化，影響分離性能。此外，在對含水原油進行初步的脫水處理時，可以添加適量的破乳劑，并進行加熱操作以加速破乳，提高分離效果。

3.2""選擇合適的破乳劑

在目前大部分煉廠使用的原油脫水工藝中，破乳劑是必不可少的。由于原油的化學成分復雜性且具有多樣性，不同性質的原油乳液需要采用特定的破乳劑配方，因此選擇適當?shù)钠迫閯┲陵P重要。在選擇破乳劑時，需要根據(jù)具體情況進行詳細分析，考慮處理溫度、處理量及脫水速度等條件合理選擇，實現(xiàn)最有效的破乳。實驗發(fā)現(xiàn)，破乳劑的作用可能存在嚴重的滯后問題[36]，甚至需要半個小時才能完全發(fā)揮作用。因此，需要制定完善的使用制度并科學添加適當?shù)钠迫閯┦褂昧俊?/p>

隨著環(huán)保意識的增強，尋找更加環(huán)保、相對便宜，且針對稠油、老化油、含聚油效率高的破乳劑已成一個重要的研究方向。天然材料、化工廢物等可再生資源的利用備受關注，這些具有界面活性的物質在分解重質原油乳液中可以取代傳統(tǒng)的不太環(huán)保的化學品。目前，研究人員主要探索以天然材料和化工廢物為來源的化合物作為破乳劑[37]。例如，ADEWUNMI"A A和KAMAL M S使用粉煤灰對油包水乳狀液進行破乳，并證明其具有的破乳能力[38]；BUSU"T N Z T M等發(fā)現(xiàn)，油棕空心果殼（OPEFB）有機溶劑制漿過程產(chǎn)生的木質纖維素溶液具有較高的破乳性能，在最佳條件下可以實現(xiàn)完全相分離[39]；ATTA"A M等基于腰果油的新型非離子腰果醇表面活性劑同樣表現(xiàn)出很好的破乳效果，顯示出單一兩親原油破乳劑的潛力[40]。這些研究成果有望推動石油行業(yè)向更加環(huán)保、可持續(xù)的方向發(fā)展。

3.3""新工藝思路的討論

隨著采出液中黏度、乳化程度越來越大，依靠常見的原油脫水方法形成的工藝已經(jīng)不能解決實際需要，針對傳統(tǒng)處理工藝存在的問題，提出“短流程、全密閉、一體化處理”設計方案。筆者整理調研了關于將多種新型脫水方法耦合連用，形成的新處理思路，希望能給新工藝的設計進行參考。

3.3.1 "電場-旋流耦合設備脫水

單獨使用離心力場已無法滿足對復雜采出液工況的有效分離需求。因此有學者提出了電場-旋流場耦合強化的方法，利用高電場加速液滴的聚結，增強旋流器的油水分離性能。這種方法通過施加外力和場能，耦合了電場和旋流場，在旋流器內部施加電場，可以同時進行電聚結和離心分離過程。相對于單獨使用離心力場分離的方法，它具有聚結速度快、處理效率高、體積小及全程密閉等優(yōu)點[41]。

在電場-旋流場耦合設備的設計方面，研究人員做了很多工作。王永偉等設計了一種旋轉式耦合裝置，液體進入旋流器后，通過高壓電場與旋流場的共同作用，液滴可以快速聚結并相互分離[42]。這種裝置的主要部件結構可以更換，便于針對不同工況設計內部特定構件尺寸，適應不同組分的乳狀液破乳。胡康根據(jù)柱狀旋流器和電聚結器的結構體特點，設計出了柱狀旋流-電聚結裝置。該裝置結構簡單，易操作性較高，電場分布均勻，內部使用圓柱電極，方便調節(jié)極間間距，使其內部液滴在旋流場中更充分地受到高電場的作用[43]。

3.3.2""超聲波-電場聯(lián)合脫水工藝

在生產(chǎn)過程中，破乳劑的使用使得污水處理的難度加大、經(jīng)濟費用提高。為了解決這個問題，有學者提出使用超聲波-電場聯(lián)合破乳技術的方法，可以在不添加破乳劑的情況下實現(xiàn)乳化液的破乳。這項技術已經(jīng)在實際工程中得到應用，不僅減輕了后續(xù)污水處理的壓力，同時也滿足了環(huán)保要求，提高了經(jīng)濟收益。通過這種技術的應用，可以實現(xiàn)對原油的高效處理，同時降低了環(huán)境影響和成本壓力。

葉國祥等設計了室內超聲波-電脫鹽的實驗流程，在不同溫度下超聲波-電聯(lián)合工藝脫鹽脫水的結果與二級電脫鹽脫水工藝進行了比較，發(fā)現(xiàn)脫鹽、脫水效率均是超聲波-電聯(lián)合工藝更佳[44]。薛彩霞和陳玉涌在原有二級交直流電脫鹽技術的基礎上進行改造，將超聲波裝置安裝在進罐原油線上，原油加熱到一定溫度后，經(jīng)混合閥后分兩路進入超聲波作用區(qū)，經(jīng)超聲波作用后的原油再進入電脫鹽罐脫鹽、脫水，與原有二級交直流電脫鹽相比，超聲波-電脫鹽技術脫出效率更高、經(jīng)濟效益好[45]。

3.3.3""旋流-電場聯(lián)合脫水工藝

為了更好地實現(xiàn)對稠油采出液的有效分離，降低加熱負荷，提高經(jīng)濟效益，提出了一種旋流-電場聯(lián)合脫水工藝（圖1）。在該工藝中，稠油、超稠油的采出液首先進入旋流單元，通過利用離心力場進行預處理，在旋流的聚結作用下，小油滴被聚集成大粒徑的油滴，并通過旋流器溢流口從連續(xù)相中分離出來，從而實現(xiàn)油相和水相預分離。接下來，采出液進入加熱裝置進行加熱，使溫度滿足電脫水裝置要求，并進入一級電脫水裝置，電場力作用于油相中的小粒徑水滴，收到電泳的作用，這些小水滴逐漸聚結形成大水滴，最終沉降分離。完成一級快速電脫水后，采出液進入二級電脫水裝置進行高頻脈沖電脫水。在此過程中，脈沖放電時產(chǎn)生的振動波導致油水界面的流動，微米級的細小水滴被聚集并沉降分離。這時采出液完成第三次脫水處理。最后，采出液通過換熱器進行熱量回收，以便進一步處理或儲存。

相對于單獨使用離心力場或電場進行油水分離的方法，旋流-電場聯(lián)合脫水工藝具有聚結速度快、處理效率高及全程密閉等優(yōu)點。此外，本工藝路線無需添加破乳劑，避免了破乳劑對采出液的污染，緩解后續(xù)污水處理壓力，并且降低了處理成本。通過一級旋流、二級電脫處理，本工藝脫水效率可達99%以上，并且此路線全程密閉、無污染，符合“短流程、全密閉、一體化處理”方案。

4""結束語

目前國內許多油田已進入開發(fā)中后期，這導致采出液中的原油乳化程度的提高和質量的下降，對原油的破乳脫水造成了困難。在這樣對環(huán)境保護要求日益嚴格的背景下，需要開發(fā)出既高效又對環(huán)境影響小的原油脫水方法。展望未來，提高原油脫水質量有幾個途徑值得重視：第一，針對工藝相對固定的流程，可以從設備優(yōu)化和破乳劑選型方面入手，研制新型的脫水設備和環(huán)保的破乳劑，以改善原油脫水效果；第二，可以將傳統(tǒng)的破乳方法與新型的脫水方法相結合，形成短流程、全密閉、一體化的新工藝，這是當前解決原油脫水問題和減小環(huán)境污染的研發(fā)趨勢。

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（收稿日期：2023-10-19，修回日期：2023-12-01）

基金項目：山東省自然科學基金（批準號：ZR2020MB137）資助的課題。

作者簡介：彭書赫（1999-），碩士研究生，從事多相流專業(yè)方向的研究工作。

通訊作者：孫治謙（1983-），副教授，從事多相流動與分離的研究，sunzhq@upc.edu.cn。

引用本文：彭書赫，周忠凱，尹宏，等.原油采出液脫水工藝方法研究進展[J].化工機械，2024，51（6）：000-000.