張國棟 彭楠楠 寇志軍

（中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司）

中東地區(qū)尤其是伊朗和伊拉克地區(qū)，油田油品大多屬于高鹽重質(zhì)原油，原油外輸指標(biāo)要求嚴(yán)格，原油水含量 0.2%～0.4%，鹽含量小于 30mg/L。另外，原油采出水Cl-含量高達(dá)130 000mg/L，礦化度達(dá)到210 000mg/L，并含有大量的乳化劑及高分子聚合物等，油水乳化程度嚴(yán)重，使脫鹽、脫水更加困難。如何優(yōu)化脫鹽工藝，降低高鹽重質(zhì)原油脫鹽后鹽含量是原油處理系統(tǒng)中亟待解決的問題。

1 脫鹽工藝原理

脫鹽工藝的主要目的是將鹽從原油中分離出，其工藝是通過摻水來洗滌懸浮于原油中的鹽，將含鹽水滴稀釋后在脫鹽罐中實(shí)現(xiàn)油水分離。足夠的水量是完成脫鹽的基礎(chǔ)，以達(dá)到脫除原油中所含鹽的目的。注破乳劑、加熱和電場作用只是對這一過程的強(qiáng)化。從熱力學(xué)觀點(diǎn)，體系內(nèi)兩種液相間的界面面積會(huì)隨著液體分裂成各個(gè)小液滴而增大，界面自由能隨之增大，導(dǎo)致熱力學(xué)穩(wěn)定性降低，自由能有趨于降低的傾向，乳狀液隨著小液滴相互碰撞聚集成大液滴而破壞，最終變成兩層液體。水滴間的聚集能力隨著摻水量的增加而增強(qiáng)，增加原油中的摻水量有利于原油脫水。

兩個(gè)同樣大小的球形水滴之間的聚結(jié)力F，可用均勻電場中兩球形介質(zhì)間的作用力公式表示：

式中：F——相鄰液滴間凝聚力，N；q——油相介電常數(shù)，F(xiàn)/m；E——電場強(qiáng)度，V/m；D——相鄰液滴中心距，m；d——乳化液滴直徑，m。

水滴間聚結(jié)力F與d/D的 4次方成正比，因此，d/D是影響聚結(jié)力的重要因素之一，當(dāng)液滴直徑d增大或液滴間距D縮小時(shí)，兩個(gè)水滴間聚結(jié)力F急劇增大。原油中的無機(jī)鹽是以采出水溶解鹽的形式存在，因此，原油處理的鹽含量取決于原油中剩余水量及剩余水中的含鹽濃度，即，原油脫鹽和脫水是同步進(jìn)行的，原油脫鹽的關(guān)鍵在于脫水，脫水的關(guān)鍵在于破乳。當(dāng)通過電場和破乳劑的作用使油水界面雙電層結(jié)構(gòu)破壞，油水界面膜破裂，原油與水構(gòu)成的穩(wěn)定乳化狀態(tài)被破壞，油膜包裹的微小水滴被釋放。隨著小水滴的不斷增多，在熱運(yùn)動(dòng)或機(jī)械攪拌的作用下，小水滴相互接觸合并、聚集成較大的水滴并產(chǎn)生聚結(jié)。聚結(jié)完成后，大水滴依靠與原油的密度差在重力的作用從原油中沉降分離出來。

摻水的作用是溶解原油中的無機(jī)鹽，使其隨著洗滌水的排出而脫除。因此，增加摻水量，脫鹽效果會(huì)提高。但是，摻水也不是越多越好，當(dāng)摻水量超過10%時(shí)，聚結(jié)力增大的幅度不大，并且，摻水過量會(huì)減少水在脫鹽罐中的停留時(shí)間，導(dǎo)致脫水不及時(shí)，電耗增加，甚至造成電極間短路。另外，摻水量過大，容易使電脫鹽后原油水含量超標(biāo)。

2 電脫鹽工藝優(yōu)化研究

2.1 電脫鹽摻水工藝流程

針對中東地區(qū)原油特點(diǎn)，收集了多處油田油品的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并對國內(nèi)外電脫水洗鹽工藝進(jìn)行了對比研究，衍生了兩種電脫水、脫鹽工藝流程，見圖1、圖2。

圖2 二級洗鹽流程

針對密度、鹽含量和含水率較低的原油，其處理后含鹽和含水指標(biāo)要求不高（通常電脫水處理后含水大于0.5%）的情況下，一般采用一級洗鹽流程。該流程新鮮水作為洗鹽水直接注入電脫鹽設(shè)備入口，原油中的鹽分在電脫鹽裝置中隨著脫除的水排出，進(jìn)入水處理系統(tǒng)后不再進(jìn)行循環(huán)。

二級洗鹽流程通常適用于中重質(zhì)、含鹽和含水率較高的原油，同時(shí)，對其處理后含水、含鹽指標(biāo)要求嚴(yán)格（通常電脫處理后含水 0.2%～0.4%或更低）的情況，通常采用此流程。該流程洗鹽水從二級電脫鹽混合裝置前摻入，從電脫鹽裝置中分離出來的水通過循環(huán)水泵增壓后回?fù)街岭娒撍b置入口，通過混合裝置使注入一級電脫水的原油含鹽率降低。此流程的優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)使用洗鹽水，有效降低了洗鹽水量。

另外，在實(shí)際生產(chǎn)中，為了節(jié)約新鮮水，一、二級電脫裝置均有超過50%的排水進(jìn)行級內(nèi)循環(huán)使用，或?qū)⒍夒娒擕}排水回注到一級電脫水使用，這一工藝流程已被國內(nèi)部分油田及煉油廠采納。二級洗鹽+級內(nèi)循環(huán)流程詳見圖3。

圖3 二級洗鹽+級內(nèi)循環(huán)流程

2.2 電脫洗鹽摻水量優(yōu)化

摻水量的多少取決于原油性質(zhì)，為了保證脫鹽效率，一般脫鹽后水的鹽含量不應(yīng)高于 400mg/L。摻水經(jīng)混合后，最理想的狀況是原油中所有水滴的鹽含量相等，這時(shí)，脫水程度也就相當(dāng)于脫鹽程度。實(shí)踐證明，理想狀況難以達(dá)到，摻入的水一小部分與原油中的含鹽采出水混合；另一部分則起增加接觸幾率的作用。目前，國內(nèi)大部分油田原油脫鹽摻水量一般控制在原油處理量的 3%～8%。國外有資料報(bào)道，對于重質(zhì)原油的脫鹽，摻水量要適當(dāng)增加，一般為原油處理量的10%。

電脫洗鹽過程是一個(gè)油、水、鹽平衡的過程。通常，設(shè)計(jì)中將此洗鹽工藝簡化為計(jì)算模型，進(jìn)行理論計(jì)算的假設(shè)條件：一是，遵循物料平衡原則，每一級電脫進(jìn)、出口保持水平衡、鹽平衡；二是，假設(shè)每一級電脫出口液中水的含鹽率等于脫出水中的含鹽率；三是，一級電脫除脫出水以外的其他出口參數(shù)等于二級電脫入口的對應(yīng)參數(shù)；四是，二級電脫脫出水量等于一級電脫回?fù)剿?；五是，處理過程中原油量始終保持為定值。

通過對伊拉克某油田原油采出水及摻入新鮮水水質(zhì)情況（見表1、表2）分析，目前，該油田進(jìn)站綜合含水約為5%。根據(jù)相關(guān)指標(biāo)要求，控制二級電脫出口的鹽含量小于 30mg/L，含水 0.2%～0.4%，建立計(jì)算模型。通過自編程序分別計(jì)算一、二級電脫出口含水不同的情況下所需的摻水比例，一級洗鹽流程和二級洗鹽流程計(jì)算結(jié)果見表3、表4。

由表3看出，在一級洗鹽工藝，入口流量及摻水效率等其他條件不變的情況下，摻水比例隨著電脫出口的含水率升高而增大，當(dāng)控制出口含水均為0.2%時(shí)，摻水比例為5.4%，而當(dāng)控制出口含水均為0.4%時(shí)，摻水比例高達(dá)26.78%，洗鹽的效率大大降低，同時(shí)，需要的洗鹽水量大大增加。

表1 典型井采出水水質(zhì)分析

表2 摻入新鮮水水質(zhì)分析

表3 一級洗鹽流程計(jì)算結(jié)果

表4 二級洗鹽流程計(jì)算結(jié)果

由表4看出，在二級洗鹽工藝，入口流量及摻水效率等其他條件不變的情況下，摻水比例隨著一、二級電脫出口的含水率升高而增大，且二級洗鹽流程比一級洗鹽流程的摻水比例降低 10%～30%。一級洗鹽流程和二級洗鹽流程摻水比例對比見表5。

表5 一級洗鹽和二級洗鹽摻水比例計(jì)算結(jié)果

根據(jù)伊拉克某油田現(xiàn)場改造后的二級洗鹽+級內(nèi)自循環(huán)流程所得的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，若一、二級電脫脫水后的液中含水率分別為0.2%、0.3%，則實(shí)際摻水比例僅為6.8%，比同條件下傳統(tǒng)的二級洗鹽流程的摻水效率提高了10%。經(jīng)過該油田現(xiàn)場驗(yàn)證，該處理措施可以使洗鹽水量降低 10%～50%，有效地提高了洗鹽水的利用率，為下游污水處理設(shè)施及蒸發(fā)池減輕負(fù)擔(dān)。

經(jīng)分析研究，原油脫鹽處理采用二級脫水脫鹽工藝流程，洗鹽摻水流程采用二級回?fù)?級內(nèi)循環(huán)流程。

2.3 洗鹽水摻入位置

在原油泵入口處摻入脫鹽水能提高原油和新鮮水的混合強(qiáng)度，但是，易造成混合過度，使破乳的難度增大。因此，現(xiàn)在一般采用在混合設(shè)備之前、換熱設(shè)備之后摻水，也有不同的觀點(diǎn)認(rèn)為在原油泵出口之后、換熱系統(tǒng)之前摻水同樣可以有效提高油水的混合強(qiáng)度，使油水充分混合，避免離心泵的過度混合。這種摻入方法還具有其他優(yōu)點(diǎn)：一是，經(jīng)過除氧后的洗滌水溫度升高，可以有效降低原油的黏度，提高其在換熱器中的傳熱系數(shù)；二是，洗滌水可以緩解懸浮雜質(zhì)及無機(jī)鹽在換熱系統(tǒng)中的結(jié)垢現(xiàn)象；三是，這種摻入方式可以省去靜態(tài)混合器。

通過分析認(rèn)為：摻水位置要根據(jù)原油含水和鹽含量來選擇，鹽含量較高的原油摻水點(diǎn)要選在原油泵之后換熱器之前，而且注水量相對較高；對于易乳化原油選在混合閥之前注水。

2.4 摻入水的水質(zhì)

摻入水的性質(zhì)對脫鹽效果也有較大影響，摻水鹽含量應(yīng)不高于 500mg/L，太高會(huì)增加深度脫鹽難度；注水pH值一般應(yīng)控制在6～8之間，大于8時(shí)，會(huì)加劇原油乳化和結(jié)垢傾向；NH3含量應(yīng)不高于150mg/L；H2S含量應(yīng)低于20mg/L。洗滌水性質(zhì)對脫鹽效果的影響見表6。

表6 洗滌水性質(zhì)對原油脫鹽效果的影響

該油田運(yùn)行初期通過水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)電脫出口污水呈現(xiàn)酸性（pH為3～5），初步分析為原油井流物中H2S含量較高，在壓力環(huán)境下電脫出口污水溶解H2S超標(biāo)，不利于原油中脫鹽的正常進(jìn)行，同時(shí)，導(dǎo)致下游設(shè)施腐蝕加劇。經(jīng)過現(xiàn)場改造，在電脫注入堿性藥劑，中和酸性環(huán)境pH約為7，脫鹽脫水效果大大提升。

2.5 混合強(qiáng)度優(yōu)化

混合強(qiáng)度表示原油與破乳劑、洗滌水的混合程度，為了使原油中包含的鹽分有效地洗滌出來，并且使原油中的固體不溶性鹽及其他雜質(zhì)隨著洗鹽水脫除，洗滌水與原油必須充分混合。在一定范圍內(nèi)，混合效果隨著混合強(qiáng)度的升高而改善。但是，混合強(qiáng)度過高也會(huì)導(dǎo)致原油中的水滴直徑變小，即，過渡乳化，會(huì)影響原油的脫水及脫鹽，因此，應(yīng)有一個(gè)最佳的混合強(qiáng)度。當(dāng)摻入水被分散成直徑為30μm的小水珠時(shí)，可以取得較好的脫鹽效果。在實(shí)際生產(chǎn)中，通過與靜態(tài)混合器串聯(lián)的混合閥可以調(diào)節(jié)混合強(qiáng)度，混合強(qiáng)度隨著壓降的增大而增大，當(dāng)混合閥全開使壓降變小，從而使混合強(qiáng)度變低，反之使其升高。

圖4為某大型油田處理廠500×104t/a裝置加工原油電脫后鹽含量、含水及乳化液與混合強(qiáng)度的關(guān)系。混合強(qiáng)度的大小用混合閥壓差△P表示，當(dāng)混合閥壓差沒有超過適合該裝置的最優(yōu)壓差（約55kPa）時(shí)，脫后原油的鹽含量隨著混合強(qiáng)度的增加而顯著下降，反映了增大混合閥壓差有利于原油的脫鹽。當(dāng)混合閥壓差超過這個(gè)值之后，反而會(huì)使電脫鹽效果降低，這是由于高于此值之后乳化液和水的含量及混合閥壓差迅速增大，破乳效果大大減弱。因此，原油脫鹽要選擇最佳的混合強(qiáng)度。

圖4 原油電脫鹽后鹽含量、含水率與混合強(qiáng)度的關(guān)系

最優(yōu)混合強(qiáng)度的選擇因原油品種和脫鹽罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同而各異，其基本依據(jù)應(yīng)是原油脫鹽處理后鹽含量變化的總趨勢（見圖4）。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)原油電脫鹽系統(tǒng)的狀況，選擇最優(yōu)的混合強(qiáng)度，提高脫鹽效果。通常情況下，加工較高密度的原油（API度 15～24）時(shí)，混合閥壓差△P較小，一般在 30～80kPa范圍內(nèi)；加工較低密度的原油（API度24～45）時(shí)，混合閥壓差△P較大，通常在50～130kPa范圍內(nèi)。

3 結(jié)論

基于中東地區(qū)原油物性，分別從摻水工藝流程、洗鹽水摻入量、洗鹽水摻入位置、摻水水質(zhì)、摻水混合強(qiáng)度優(yōu)化等方面進(jìn)行研究，得出結(jié)論：

一是，對于高鹽重質(zhì)原油脫鹽處理，推薦采用二級脫水脫鹽的工藝流程，同時(shí)，經(jīng)過現(xiàn)場驗(yàn)證在二級脫水脫鹽工藝流程基礎(chǔ)上增加級內(nèi)循環(huán)流程，可有效地減少洗鹽水摻入量。

二是，摻注入位置由原油的鹽含量、水含量來確定。處理乳化能力較強(qiáng)的原油應(yīng)在混合裝置之前注入洗鹽水，而鹽含量較高的原油通常在原油泵之后注入，且注水量相對前者要高。

三是，注入水的水質(zhì)對脫鹽效果有較大影響，應(yīng)定期監(jiān)測脫鹽脫水設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，并根據(jù)原油及采出水特性嚴(yán)格控制注水水質(zhì)指標(biāo)，減少結(jié)垢、原油乳化和設(shè)備腐蝕。

四是，混合裝置混合強(qiáng)度的正確選擇對原油脫水脫鹽效果有很大影響，現(xiàn)場應(yīng)根據(jù)原油品種并結(jié)合電脫鹽系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況選擇最優(yōu)混合強(qiáng)度。

[1] 張國強(qiáng)，費(fèi)茹娥，李昊.原油脫鹽流程中洗鹽水量計(jì)算探討[J].石油規(guī)劃設(shè)計(jì)，2012，23(3)： 47-49.

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[3] 于曉雪，廖克儉，王洪國.原油電脫鹽工藝的影響因素[J].當(dāng)代化工，2003，42(1)： 116-118.