靜電聚結原油脫水試驗研究

彭松梓，崔新安，王春升，李春賢，鄭曉鵬

(1.中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003; 2.中國海洋石油總公司中海油研究總院，北京100027)

靜電聚結原油脫水試驗研究

彭松梓1，崔新安1，王春升2，李春賢1，鄭曉鵬2

(1.中石化洛陽工程有限公司，河南洛陽471003; 2.中國海洋石油總公司中海油研究總院，北京100027)

針對目前高含水原油采出液采用傳統三相分離與熱化學分離和電脫水方法存在分離級數和設備多、油水分離效率低、電脫水運行不穩定等問題，在靜電預聚結研究基礎上，采用自制絕緣電極和乳化液，開展靜電聚結脫水研究，使水滴預聚結和沉降分離同時進行。通過靜態聚結脫水試驗考察了乳化液水含量、電壓、溫度和沉降時間等因素對靜電聚結脫水效果的影響，結果表明乳化液脫水率隨溫度升高、電壓增大和沉降時間延長而提高。其中溫度影響最大，電壓和沉降時間影響較小。在動態靜電聚結原油脫水試驗裝置上進行驗證，同時對不同分離器結構和不同電極結構及進料方式進行了對比，對試驗條件進行了優化。動態試驗結果表明，在電壓2 kV，溫度65～70℃，停留時間不大于10 min的條件下，高含水乳化液的脫水率均可達95%以上。

靜電聚結 絕緣電極 高含水乳化液 動態試驗 原油脫水

隨著世界范圍內原油劣質化趨勢的加大和含聚合物復合驅采油技術的發展，原油采出液黏度高、含水高、乳狀嚴重，通過常規油水氣三相分離和熱化學處理后水含量仍然超高，導致電脫水裝置電流超高、甚至跳閘，尤其對于空間受限的海上油田，油水分離面臨更大壓力。西方發達國家的研究人員面對油水分離新形勢，提出靜電預聚結原油脫水的技術理念［1-2］，采用一定結構的復合電極和交流電場提高乳化液中水滴的聚結效率，可以在水的質量分數接近100%的條件下正常工作。開發出了CEC，IEC，VIEC和LOWACC四種不同結構的靜電聚結器，均取得了較好試驗效果，其中采用LOWACC處理API度為17的原油，可使脫后水的質量分數降低到5%以下［3］。國內近年在靜電聚結機理和影響因素方面開展了一些試驗室研究工作［4-5］。在前期研究基礎上，用海洋原油考察了溫度、壓力、含水量和停留時間對油水分離效果的影響，并在此基礎上建立一套模擬實際油水分離的動態靜電聚結試驗裝置，探索油包水(W/O)和水包油(O/W)復雜乳化液的靜電聚結脫水工藝路線并優化工藝條件。

1 試驗部分

1.1 試驗原料及制備方法

試驗原油性質:密度(20℃)0.955 g/cm3，黏度(50℃)616 mPa·s，鹽的質量濃度439 mg/L，酸值3.0 mgKOH/g。

(1)乳化液制備:向一定量試驗用原油中加入計量自來水，然后在試驗室高剪切分散乳化機下以不低于11 000 r/min的速度攪拌一定時間，制備水質量分數為20%～60%穩定乳化液，該乳化液在室溫下放置8 h無分層現象。

(2)絕緣電極制備:將氟塑料絕緣材料覆蓋在裸電極上，端部用聚四氟乙烯堵頭密封，即可制備不同形狀絕緣電極。

1.2 試驗裝置與方法

靜態靜電聚結脫水試驗:試驗在YS-3電脫鹽試驗儀和萬能擊穿裝置上進行，試驗方法同常規電脫鹽方法。

動態靜電聚結脫水試驗:試驗在自建裝置上進行，裝置包括原料罐、混合預熱器、計量泵、聚結分離器及相關連接管線。具體方法:水質量分數為30%的穩定乳化液和自來水分別經計量泵進入高溫高壓反應釜混合預熱后進入靜電聚結分離器進行油水分離，分離后的原油從聚結分離器上部流出，返回乳化液罐，重新乳化后循環使用;分離出的水從聚結分離器底部流出，返回水罐循環使用。在高溫高壓反應釜出口和靜電聚結分離器原油出口設置取樣點，對取樣水含量進行分析并計算乳化液脫水率。

乳化液脫水率計算公式:

η=(C1—C2)/C1×100%

式中:C1和C2分別為靜電聚結脫水前后乳化液水的質量分數，%。

2 靜態靜電聚結脫水試驗結果及討論

2.1 乳化液靜電聚結脫水試驗

在試驗溫度為80℃，加電時間20 min，電壓2 000 V條件下，考察不同水含量乳化液的靜電聚結脫水效果，試驗結果見圖1。

圖1 乳化液含水量與脫水效果Fig．1 Dehydration efficiency and water content of the emulsion

試驗結果表明，所用氟塑料絕緣電極對20%～60%的乳化液均有較好的脫水率，脫水率均大于84%。在其它條件不變時:脫后水含量隨著乳化液水含量增加而增加;脫水率先降低，當乳化液中水質量分數超過50%后略有升高。當乳化液中水的質量分數從20%提高到60%，脫后水的質量分數從 2.2%增加到 10.8%;而脫水率從89.3%降低至83.4%后又升高至84.7%。原因是隨著乳化液含水量增加，乳化液中水量增大很多，在同樣的時間內，脫水率相對較低。

2.2 不同電壓原油靜電聚結脫水試驗

采用水的質量分數為40%的乳化液，在試驗溫度為80℃，加電場時間20 min條件下，考察不同電壓400～2 800 V下的靜電聚結脫水效果，試驗結果見圖2。

試驗結果表明，在其它條件不變的情況下，隨著電壓升高，乳化液脫后水含量降低，脫水率升高。當電壓大于800 V時，水質量分數為40%的乳化液的脫水率可以達到82%以上，當電壓增加至2 800 V，脫水率可達91%以上。在電場作用下水滴之間的聚結力與電場強度的平方成正比，所以隨著電壓的提高，電場強度增大，水滴聚結力增大，水滴聚結量和聚結速度增加，脫水效率明顯提高。

圖2 電壓與脫水效果Fig．2 Dehydration efficiency and voltage

2.3 不同溫度原油靜電聚結脫水試驗

采用水的質量分數為40%的乳化液，在加電場時間20 min，電壓2 000 V條件下，考察乳化液在40～100℃不同溫度下的靜電聚結脫水效果，試驗結果圖3。

圖3 溫度與脫水效果Fig．3 Dehydration efficiency and temperature

試驗結果表明，在其它條件不變的情況下，隨著溫度升高，脫后含水量降低，脫水率提高。當溫度低于70℃時，脫水率隨溫度升高增加較快，當溫度高于70℃時，脫水率隨溫度升高增加較慢。因為升高溫度，油水乳化液的黏度降低，分子熱運動加快，乳化液中水滴碰撞聚結機會增多，水滴聚結沉降速度加快;同時溫度升高，增大了油水密度差，從而導致水沉降速度增加。試驗用水質量分數為40%的乳化液在40℃時黏度比70℃時的黏度高出8倍多。溫度大于70℃以后，乳化液黏度降低幅度較小，因此脫水率曲線在70℃時出現拐點。

2.4 不同時間原油靜電聚結脫水試驗

采用水質量分數為40%的乳化液在試驗溫度為80℃，電壓2 000 V條件下，考察乳化液在4～40 min不同沉降時間下的靜電聚結脫水效果，試驗結果見圖4。

圖4 沉降時間與脫水效果Fig．4 Dehydration efficiency and resident time

試驗結果表明，隨著沉降時間延長，乳化液的脫后含水降低，脫水率提高。當沉降時間為10 min時，脫水率即可達到80%以上。

3 動態靜電聚結脫水試驗

3.1 立式靜電聚結分離器動態試驗

立式靜電聚結分離器有效體積3 L，材質為有機玻璃，電極為垂直吊掛絕緣電極，極板間距2.5 cm，分離器內溫度65～70℃，停留時間10 min，進口乳化液水質量分數為90%，不同電壓下靜電聚結脫水效果見圖5。

圖5 電壓與脫水效果Fig．5 Dehydration efficiency and voltage

從圖5試驗結果看，水質量分數為90%乳化液脫水率隨電壓升高略有上升，電壓從2 000 V增加到4 500 V，脫水率提高4%左右。

3.2 臥式靜電聚結分離器動態試驗

臥式靜電聚結分離罐有效體積5 L，材質為有機玻璃，電極為水平板絕緣電極，極板間距2.5 cm，分離器內溫度65～70℃，進口乳化液水質量分數為90%。考察了2 000 V電壓下不同停留時間對靜電聚結脫水效果的影響，試驗結果見圖6; 9.5 min停留時間下不同電壓對靜電聚結脫水效果的影響見圖7。

圖6 停留時間與脫水效果Fig．6 Dehydration efficiency and resident time

圖7 電壓與脫水效果Fig．7 Dehydration efficiency and voltage

從圖6試驗結果看，在2 000 V電壓下，隨著乳化液在分離器內停留時間延長，脫水率升高，當停留時間為7.9 min是，乳化液脫水率為89%左右，當停留時間延長至9.5 min，乳化液脫水率為96.4%。從圖7試驗結果看，乳化液脫水率隨電壓升高而提高的幅度較小，在停留時間和含水量相同的情況下，電壓從2 000 V升高至6 000 V，乳化液的脫水率從 96.2%提高至 97.4%，僅提高了1.2%。

4 結 論

(1)靜電聚結原油脫水靜態試驗結果表明，乳化液脫水率隨溫度升高、電壓增大和沉降時間延長而提高。其中溫度影響最大，電壓和沉降時間影響較小。

(2)動態試驗結果表明，無論采用立式或臥式分離器結構，在電壓2 000 V，溫度65～70℃，停留時間不大于10 min的條件下，高含水乳化液的脫水率均可達95%以上，脫后含水低至2.2%。

［1］ O.Urdahl，K.Nordstad，P，Berry.Development of a new， compact electrostatic coalescer concept［J］.SPE Production＆Facilities，2001，16(1):4-8．

［2］ John S.Eow，Mojtaba Ghadiri．Electrostatic enhancement of coalescence of water droplets in oil:a review of the current understanding［J］．Chemical Engineering Journal，2002(85): 375–368．

［3］ T.A.Fjeldly，E.B.Hansen，and P.J.Nilsen，et al.Novel coalescer technology in first-stage sepaator enables one-stage separation and heavy-oil separation［C］.Houston:2006，1577-1583．

［4］ 張黎明，何利民，張晶，等.電極結構及絕緣層對靜電聚結器的影響［J］.油氣田地面工程，2010，29(10):18-20．

［5］ 丁藝，陳家慶，尚超，等.W/O型乳化液在矩形流道中的靜電聚結破乳研究［J］.石油化工高等學校學報，2010，23 (3):11-16．

(編輯 寇岱清)

Abstract:To solve the problems of numerous separation stages，more equipment，lower separation efficiency and unstable running of electric dehydration in conventional separation process of three phase separation，thermal chemistry separation and electric dehydration treatment，researches on electrostatic coalescence for high water content oil is developed based on the former studies on pre－coalescence by using complex electrode and emulsion made in laboratory．The impacts of water content of emulsion，electric voltage，temperature and residence time etc on the dehydration performance of emulsion by electrostatic coalescence were investigated through static experiments and were then validated and optimized through the dynamic experiments．The results show that the dehydration rate of emulsion increases with increase of temperature，voltage and residence time．In these impact factors，temperature has the greatest impact，followed by voltage and residence time．At the same time，the different separator constructions，different electrode structures and different feedings are compared and testing conditions are optimized．The dynamic experiments results demonstrate that，under the conditions of 2 000 V voltage，65～70℃ temperature and the maximum resident time of 10 minutes，the dehydration rate is over 95%．

Keywords:electrostatic coalescence，insulation electrode，high－water emulsion，dynamic test，crude oil dehydration

Study on Dehydration of Crude Oil by Electrostatic Coalescence

Peng Songzi1，Cui Xin’an1，Wang Chunsheng2，Li Chunxian1，Zheng Xiaopeng2
(1．SINOPEC Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Luoyang，Henan 471003; 2．CNOOC Research Institute，Beijing 100027)

TE624．1

A

1007－015X(2012)05－0003－04

2012－05－20;修改稿收到日期:2012－07－16。

彭松梓，女，高級工程師，2003年畢業于河南大學，從事煉油裝置工藝防腐蝕工作。E-mail:pengsz.lpec@ sinopec.com。