尚 超， 王春升， 鄭曉鵬， 張 明， 孫 婧， 王海燕

(中海油研究總院，北京 100028)

海上油田原油靜電聚結(jié)高效脫水技術(shù)研究

尚 超， 王春升， 鄭曉鵬， 張 明， 孫 婧， 王海燕

(中海油研究總院，北京 100028)

介紹了一種新型高效的原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)，利用電場作用加速油水分離,顯著提高原油脫水效率。試驗(yàn)結(jié)果表明，靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)可以減小處理設(shè)施尺寸和重量，能夠適應(yīng)原油含水率高達(dá)95%以上的工況，并且可作為稠油脫水處理的有效技術(shù)手段。

高含水原油；脫水；靜電聚結(jié)；稠油；緊湊高效

0 引 言

目前，海上邊際油田開發(fā)以及深水浮式平臺(tái)的應(yīng)用都對原油處理設(shè)備的高效性提出了更高要求，要求縮減平臺(tái)面積、減輕上部設(shè)施重量。而且隨著高含水油田的不斷增多(原油綜合含水率甚至高達(dá)98%)，常規(guī)原油處理設(shè)備需要多級處理，顯然會(huì)受到平臺(tái)空間和建造成本的限制，也亟需新型高效的原油處理技術(shù)來滿足生產(chǎn)需要。另外，我國海上稠油油田儲(chǔ)量可觀，海上稠油油田的規(guī)模開發(fā)，必將面臨稠油處理技術(shù)問題的挑戰(zhàn)。稠油通常黏度大、乳化程度高，僅依靠常規(guī)技術(shù)處理，水力停留時(shí)間通常需要10～20h，對于海上油田而言，顯然無法接受。因此，稠油處理同樣需要新型高效的處理技術(shù)以縮短水力停留時(shí)間。

為滿足海上油田開發(fā)對高效緊湊原油處理設(shè)備的迫切需求，創(chuàng)新性開展了靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)研究，利用電場作用加速油水分離，并研制了新型高效原油脫水設(shè)備，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)研究。本文將結(jié)合具體研究內(nèi)容從靜電聚結(jié)原理、實(shí)驗(yàn)室研究、現(xiàn)場試驗(yàn)研究等方面對靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1 靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)原理

靜電聚結(jié)脫水是利用電場作用破壞原油乳化液，加快水滴聚結(jié)速度，進(jìn)而提高分離效率。對于最終依靠重力沉降原理的原油脫水工藝而言，分散相水顆粒在連續(xù)油相中的沉降速度Vw符合Stokes定律，其近似計(jì)算公式如下：

(1)

式中：g為重力加速度，m/s2；dw為分散相水顆粒的粒徑，m；ρo和ρw分別為油相和水相的密度，kg/m3；μo和μw分別為油相和水相的動(dòng)力黏度，Pa·s。

從式(1)可以看出，原油和水兩相的密度差是油水分離的推動(dòng)力，而分散介質(zhì)的黏度則是阻力源。油水分離時(shí)水顆粒的沉降速度與其自身粒徑的平方成正比，水顆粒粒徑是最關(guān)鍵的影響因素。當(dāng)水顆粒的粒徑較小時(shí)(乳化狀態(tài)時(shí)，甚至是微米量級)，其在連續(xù)油相中的重力沉降速度很低。如果僅僅依靠常規(guī)重力沉降來完成油水分離過程，所需的停留時(shí)間無疑會(huì)很長。靜電聚結(jié)破乳技術(shù)的出發(fā)點(diǎn)就是引入外加電場，將原油置于高壓電場中，利用電場對分散相水顆粒產(chǎn)生的偶極力、電泳力以及介電泳力等電場力的作用，促進(jìn)小水顆粒碰撞聚結(jié)變大，從而加速后續(xù)油水分離的進(jìn)行[1—3]。水顆粒的受力及靜電聚結(jié)過程如圖1所示。

圖1 水顆粒受力及靜電聚結(jié)過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of water droplet force and electrostatic coalescence process

為了適應(yīng)高含水原油處理需要，有效防止水顆粒導(dǎo)致的電場短路，需要設(shè)置絕緣層[4]。適用于高含水原油處理的帶絕緣層的電場強(qiáng)度為[5—6]

Eo=U/(a+tεo/εt)，

(2)

式中：a為電極間距；εt和εo分別為絕緣材料和原油乳化液的介電常數(shù)；Eo為電場強(qiáng)度；U為電極之間的電勢差(電源電壓)。

2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 渤海某油田原油乳化液靜電聚結(jié)脫水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)采用渤海某油田原油配置原油乳化液。具體配置是以脫水后的油品為基礎(chǔ)，根據(jù)目標(biāo)含水值，在燒杯中稱取油樣，加入計(jì)算好的水量，50℃預(yù)熱后用剪切乳化機(jī)攪拌，制成實(shí)驗(yàn)用原油乳化液，保證室溫下8h沒有明水析出，配置的乳化液分離難度與現(xiàn)場情況接近。渤海某油田原油性質(zhì)如表1所示。

表1 渤海某油田原油性質(zhì)Table 1 Crude oil property of an oil field in Bohai

2.1.1不同含水量原油乳化液靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件： 實(shí)驗(yàn)溫度為80℃，加電場時(shí)間20min，電壓2000V。配制含水量分別為20%、 30%、 40%、 50%和60%的穩(wěn)定原油乳化液，考察不同含水量原油乳化液的靜電聚結(jié)脫水效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 脫水效果與原油乳化液含水量關(guān)系曲線Fig.2 Dehydration effects with different crude oil water contents

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，靜電聚結(jié)技術(shù)對20%～60%的原油乳化液均有較好的脫水率，脫水率均大于80%。在其他條件不變時(shí)，隨著原油乳化液含水量的增加，脫水后含水量增加，脫水率降低。脫水后含水量從2.15%增加到10.8%，而脫水率從89.3%降低至82%。

2.1.2不同電壓原油靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件： 試驗(yàn)溫度為80℃，加電場時(shí)間20min，原油乳化液含水量40%?？疾煸腿榛涸?00～2800V不同電壓下的靜電聚結(jié)脫水效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 脫水效果與電壓關(guān)系曲線Fig.3 Dehydration effects with different voltages

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，隨著電壓的升高，原油乳化液脫后含水量降低，脫水率升高。當(dāng)電壓大于800V時(shí)，含水40%的原油乳化液的脫水率可以達(dá)到82%以上；當(dāng)電壓增加至2800V時(shí)，脫水率可達(dá)91%以上。水是極性分子，當(dāng)處在電場中時(shí)，能夠發(fā)生偶極聚結(jié)、電泳聚結(jié)和振蕩聚結(jié)。在交流電場中以偶極聚結(jié)和振蕩聚結(jié)為主。隨著電壓的提高，電場強(qiáng)度增大，水滴聚結(jié)力增大，水滴聚結(jié)量和聚結(jié)速度增加，脫水效率明顯上升，電壓增大至2000V左右時(shí)，繼續(xù)增大電壓脫水效率提升不再明顯，表明2000V電壓產(chǎn)生的聚結(jié)力較為適宜，電場強(qiáng)度達(dá)到較優(yōu)區(qū)間。不同電場強(qiáng)度影響水滴聚結(jié)力強(qiáng)弱的趨勢一致，因此其他含水率乳化液脫水受電壓影響趨勢與此一致，只是最優(yōu)電壓略有不同。限于篇幅，不再一一贅述。

2.1.3不同水力停留時(shí)間原油靜電聚結(jié)脫水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件： 實(shí)驗(yàn)溫度為80℃，加電場時(shí)間20min，電壓2000V，原油乳化液含水量40%?？疾煸腿榛涸?～40min水力停留時(shí)間下的靜電聚結(jié)脫水效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 脫水效果與水力停留時(shí)間關(guān)系曲線Fig.4 Dehydration effects with different hydraulic retention time

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水力停留時(shí)間的增加，含水40%的原油乳化液的脫水后含水量降低，脫水率提高。在靜電場作用下，當(dāng)水力停留時(shí)間為10min時(shí)，脫水率即可達(dá)到80%以上，相比僅靠重力沉降8h無明水析出大大提高了脫水效率。

2.2 渤海某稠油油田原油靜電聚結(jié)脫水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究

采用渤海某稠油油田52%含水原油原樣進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。該稠油油田原油為高黏原油，油品具體性質(zhì)如表2所示。

表2 渤海某稠油油田原油性質(zhì)Table 2 Crude oil property of a heavy oil field in Bohai

2.2.1不同溫度原油靜電聚結(jié)脫水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件： 60g乳狀液，預(yù)熱15min，電壓2500V，加電時(shí)間40min。

圖5 稠油脫水效果與加熱溫度關(guān)系曲線Fig.5 Dehydration effects with different temperatures for heavy oil

原油靜電聚結(jié)和重力沉降脫水效果隨溫度變化曲線如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅依靠重力沉降，溫度升高對原油脫水的促進(jìn)作用不明顯，溫度在80～120℃時(shí)，靜置40min，自然沉降40min，原油沒有水析，加熱到140℃，原油僅有少量水析出，原油剩余水仍為49.1%。但在同等條件下，經(jīng)過靜電聚結(jié)作用后，溫度從80℃升至140℃時(shí)，原油剩余水從47.17%降至16.58%。

2.2.2不同電壓原油靜電聚結(jié)脫水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件： 溫度90℃，預(yù)熱15min，加電時(shí)間40min。

原油靜電聚結(jié)脫水效果隨電壓變化曲線如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件不變的情況下，隨著電壓的升高，原油乳化液脫水后剩余水量減少，脫水率升高。當(dāng)電壓超過2500V時(shí)，原油脫水效果較好，剩余水占比為22.16%以下。

圖6 稠油脫水效果與施加電壓關(guān)系曲線Fig.6 Dehydration effects with different voltages for heavy oil

2.2.3不同停留時(shí)間的原油靜電聚結(jié)脫水室內(nèi)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)條件： 溫度90℃，預(yù)熱15min，電壓2500V，加電時(shí)間40min。

原油靜電聚結(jié)脫水效果隨水力停留時(shí)間變化曲線如圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著水力停留時(shí)間的延長，含水52%的原油脫水后含水量快速降低，脫水率提高。當(dāng)水力停留時(shí)間為40min時(shí)，剩余水為22.16%，之后繼續(xù)增加水力停留時(shí)間，下降趨勢變緩。當(dāng)水力停留時(shí)間為60min時(shí)，剩余水為17.95%?？傮w而言，相較于采用常規(guī)處理技術(shù)所需十多個(gè)小時(shí)的脫水時(shí)間，原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)的脫水時(shí)間大幅縮短，大大提高了脫水效率。

圖7 稠油脫水效果與水力停留時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Dehydration effects with different hydraulic retention time for heavy oil

3 現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)設(shè)備簡介

在流花11-1油田現(xiàn)場應(yīng)用測試的靜電聚結(jié)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意如圖8所示，其中上部氣液分離罐尺寸為Φ800mm×1000mm，下部油水分離罐尺寸為Φ1400mm×3600mm，最大處理量40m3/h。設(shè)備整體尺寸4600mm(L)×2500mm(W)×4300mm(H)。

圖8 高含水原油靜電脫水裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure diagram of electric coalescence device for high water-cut crude oil dehydration

現(xiàn)場測試中，進(jìn)入試驗(yàn)設(shè)備的取樣從測試分離器進(jìn)料口引出，溫度和含水率等參數(shù)與三相分離器基本一致。通過與現(xiàn)場三相分離器和電脫水器分離效果綜合比較，考察原油靜電聚結(jié)脫水設(shè)備處理效果。

3.2 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

水力停留時(shí)間為40min時(shí)(與現(xiàn)場三相分離器水力停留時(shí)間相同)，考察電壓對靜電聚結(jié)脫水效果的影響，具體影響結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，經(jīng)靜電場作用后，脫水后原油含水率顯著降低，與三相分離器相比，明顯提高了油水分離效果。電壓從5kV升高到8kV，脫水效率提高幅度不明顯；繼續(xù)升高電壓，脫水率提升明顯，脫水后含水率從8kV時(shí)的1.6%降低至10kV時(shí)的0.75%。同時(shí)，當(dāng)原油含水率在88%～96%之間波動(dòng)時(shí)，該設(shè)備均能將脫水后原油含水率維持在2%以下，說明設(shè)備對高含水以及含水量波動(dòng)工況具有良好的適應(yīng)性。

圖9 脫水效果與電壓關(guān)系曲線(現(xiàn)場試驗(yàn))Fig.9 Dehydration effects with different voltages in field test

靜電聚結(jié)原油脫水率與水力停留時(shí)間的關(guān)系如圖10所示?？梢钥闯?，靜電聚結(jié)脫水效果顯著，當(dāng)水力停留時(shí)間為10min時(shí)(僅為三相分離器的1/4)，原油脫后含水率為7.8%，仍比自由水分離器的脫水后含水低50%以上(現(xiàn)場自由水分離器出口含水16%)，即相同處理能力下，尺寸大大減小。同時(shí)，隨著水力停留時(shí)間的延長，原油脫水后含水率逐漸降低，水力停留時(shí)間為40min時(shí)的原油脫水后含水率為1.3%，接近“三相分離器+電脫水器”的組合處理效果。

圖10 脫水效果與水力停留時(shí)間關(guān)系曲線(現(xiàn)場試驗(yàn))Fig.10 Dehydration effects with different hydraulic retention time in field test

4 結(jié) 語

高含水原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)采用絕緣電極用于靜電聚結(jié)過程，利用電場加速油水分離，同時(shí)有效避免極間電流過大和短路的產(chǎn)生。海上試驗(yàn)結(jié)果表明，靜電聚結(jié)脫水技術(shù)對原油高含水工況(綜合含水率80%以上)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)脫水效果好，原油脫后含水可以低至0.7%，并且脫水效率很高。對比結(jié)果顯示，在相同的處理量下，可使設(shè)備體積較常規(guī)分離器減小50%以上；在相同體積條件下，比常規(guī)分離器處理能力提高50%以上。因此，靜電聚結(jié)脫水可大大減少設(shè)備體積和重量。

相比傳統(tǒng)的海上原油處理流程，靜電聚結(jié)脫水技術(shù)油水分離效果出色，不僅可以減少處理設(shè)備體積和重量，并可作為稠油脫水工藝的有效技術(shù)手段，為將來海上油田稠油儲(chǔ)量的大規(guī)模動(dòng)用提供技術(shù)支持。

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StudyoftheTechnologyforCrudeOilDehydrationbyElectrostaticCoalescence

SHANG Chao, WANG Chun-sheng, ZHENG Xiao-peng, ZHANG Ming,SUN Jing, WANG Hai-yan

(CNOOCResearchInstitute，Beijing100028，China)

We introduce a new and efficient technology for crude oil dehydration by electrostatic coalescence. This technology accelerates the separation of oil and water by electric field. The experimental results show that this technology can greatly reduce the size and weight of treatment facilities and adapt to the working conditions of water content of crude oil up to 95%. It can also be used as an effective means of heavy oil dehydration.

high water-cut crude oil; dehydration; electric coalescence; heavy oil; compact and effective

2017-04-17

尚超(1984—)，男，碩士，工程師，主要從事海上油氣設(shè)備設(shè)計(jì)及研究。

TE624.1

A

2095-7297(2017)05-0260-06