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(jì)有限公司

隨著油田進(jìn)入開(kāi)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(dá)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?yàn)樗团c油包水交替存在的復(fù)雜乳狀液，界面膜強(qiáng)度較高，提升了分水處理難度，對(duì)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(duì)復(fù)雜采出液進(jìn)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(dá)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(jìn)行處理，由于進(jìn)入電脫水器的乳狀液導(dǎo)電性增強(qiáng)，會(huì)破壞電場(chǎng)，引起跳閘。此外，井排來(lái)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(guò)程，其中有些過(guò)程（如絮凝）是可逆過(guò)程，有些過(guò)程（如聚結(jié)）則是不可逆過(guò)程[1]。復(fù)雜原油采出液的處理除了需開(kāi)發(fā)高效低溫破乳劑井[2]，還需另辟方法實(shí)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(guó)內(nèi)外對(duì)原油超聲波破乳展開(kāi)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(jī)械波。人耳能聽(tīng)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(wú)污染、快速高效等特點(diǎn)，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(shí)，會(huì)促使介質(zhì)產(chǎn)生位移及相互碰撞，快速實(shí)現(xiàn)破乳，提高脫水效率[6]。超聲波對(duì)置于超聲場(chǎng)中的介質(zhì)具有機(jī)械作用、空化作用和熱學(xué)作用等。采用超聲進(jìn)行原油破乳脫水主要利用的是超聲波對(duì)介質(zhì)的機(jī)械作用及熱作用。超聲波的機(jī)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(jìn)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(qiáng)度以及原油黏度，從而達(dá)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(qiáng)、頻率、聲波的作用時(shí)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(guó)內(nèi)外研究認(rèn)為，對(duì)超聲波破乳除油速率影響最明顯的因素是超聲波的聲強(qiáng)和頻率。

國(guó)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(jìn)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(shì)，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(dòng)方向垂直向與流體的流動(dòng)方向平行發(fā)展；破乳方式從添加破乳劑和超聲波同時(shí)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(lèi)型的原油乳狀液。同時(shí)，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(kuò)散效應(yīng)可以促進(jìn)破乳劑的分散，提高其作用效率，快速實(shí)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(qiáng)化破乳實(shí)驗(yàn)

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(kāi)展了超聲破乳分水實(shí)驗(yàn)，在加入破乳劑的基礎(chǔ)上，通過(guò)超聲波作用使破乳劑快速分散，促進(jìn)液滴聚并、削弱界面膜強(qiáng)度，達(dá)到破乳分水的效果。

實(shí)驗(yàn)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^(guò)調(diào)整振子面表振幅來(lái)調(diào)節(jié)超聲波強(qiáng)度。

表1 為44 ℃時(shí)的靜態(tài)脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由表1 可知：不施加超聲作用時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)溫度較低，無(wú)論是否添加破乳劑，都沒(méi)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(shí)，2 h 的分水量達(dá)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)影響破乳效果。

表1 溫度44 ℃時(shí)分水效果對(duì)比Tab.1 Comparison of dehydration effect at 44 ℃

實(shí)驗(yàn)表明，超聲波對(duì)破乳劑擴(kuò)散及破乳起到積極作用，能有效提高低溫時(shí)的脫水效率。超聲作用可使破乳劑在油層快速滲透到達(dá)界面膜，其機(jī)械、空化及熱效應(yīng)可以削弱界面膜強(qiáng)度，宏觀表現(xiàn)出脫水效果較好，但作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、強(qiáng)度過(guò)大將對(duì)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(shí)際使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體的油品性質(zhì)對(duì)參數(shù)進(jìn)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(jìn)行分水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)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(shì)越明顯。

表2 分水效果對(duì)比Tab.2 Comparison of dehydration effect

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

目前，大部分針對(duì)超聲破乳技術(shù)的研究都是實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的，真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用的較少，一方面由于超聲波破乳機(jī)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(chǎng)考察了超聲破乳裝置的分水處理效果，以驗(yàn)證該技術(shù)的有效性和抗性波動(dòng)，并指導(dǎo)技術(shù)及裝置的工業(yè)化放大開(kāi)發(fā)，為進(jìn)一步現(xiàn)場(chǎng)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(zhǎng)）×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(chǔ)存區(qū)、油儲(chǔ)存區(qū)等，其中超聲作用區(qū)設(shè)置10 個(gè)超聲振子，單個(gè)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(shí)間、作用強(qiáng)度等條件。超聲破乳裝置上設(shè)有油水界面檢測(cè)及液位檢測(cè)，根據(jù)液位信號(hào)控制污水出口電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，實(shí)現(xiàn)恒液位調(diào)節(jié)。

圖1 試驗(yàn)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(jìn)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(fèi)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(jìn)一步加強(qiáng)低溫下油水的高效分離，將開(kāi)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(wèn)題。

試驗(yàn)1：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了井排進(jìn)液含水率91%、溫度38～42 ℃、處理量20 m3/h 時(shí)，不同破乳劑使用量下的分水效果，對(duì)裝置油出口的原油含水率指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。此時(shí)采出液在裝置內(nèi)停留時(shí)間約0.5 h，原油在超聲作用區(qū)停留時(shí)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(shí)，原油含水率降低至25%以下，破乳劑的使用量增至100 mg/L 時(shí)，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(yàn)2：現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了井排進(jìn)液含水率91%、溫度38～42 ℃、破乳劑使用量為50 mg/L 時(shí)，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(shí)間由1.5 h 降至0.75 h），對(duì)裝置油出口的原油含水率指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)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(shí)間增加，分水效果提高；但處理量降低至10 m3/h 時(shí)，超聲作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，造成過(guò)乳化現(xiàn)象，對(duì)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(jì)效益分析

采用超聲破乳技術(shù)對(duì)某聯(lián)合站稠油采出液進(jìn)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(jí)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(jìn)口原油含水率從45%降至25%，同時(shí)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(shí)間約0.75 h 時(shí)，噸液處理成本整體降低約0.28 元。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，該技術(shù)如進(jìn)行推廣實(shí)施，生產(chǎn)單位預(yù)計(jì)可節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用290 萬(wàn)元/年。

4 結(jié)論

超聲波對(duì)破乳劑分散及破乳起到積極作用，能有效提高井排來(lái)液溫度下的油水分離效率，分水效果好，但超聲作用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、強(qiáng)度過(guò)大將對(duì)破乳產(chǎn)生負(fù)作用。實(shí)驗(yàn)表明，在進(jìn)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(shí)間約0.75 h 時(shí)，稠油采出液通過(guò)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(yùn)行成本，有較好的發(fā)展?jié)摿Α?/p>