酸化原油調頻調壓脫水實驗研究

吳威 牟楠 張緒強 范琳波(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452)

酸化原油調頻調壓脫水實驗研究

吳威 牟楠 張緒強 范琳波(中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452)

針對SZ36-1的D28井采出酸化油的特性，本文專門研制了一套矩形波交流調頻調壓脫水電源。利用這套電源進行酸化原油靜態脫水試驗，評價調頻調壓電脫設備在不同脫水溫度、電壓、頻率、脈寬比、停留時間下的脫水效果。優選出酸化原油電脫設備最經濟的脫水參數。要求脫水分離后的酸化原油指標：油中含水≤5%，水中含油≤1000ppm。

酸化原油；矩形波交流調頻調壓電源；脫水；最佳脫水參數

1 試驗設備組成：

矩形波交流調頻調壓脫水電源控制柜、寬頻帶變壓器、石油密閉脫水儀、高剪切乳化機。指標如下：

⑴、矩形波交流調頻調壓脫水電源包括電源控制柜和寬頻帶變壓器兩部分。該矩形波交流原油脫水電源具有輸出電壓、頻率、脈寬連續可調的功能，可保證酸化原油脫水在最佳電脫參數下進行脫水。與常規脫水設備相比，矩形波交流調頻調壓脫水電源不僅脫水質量好、而且脫水速度快，節能效果明顯，其基本參數：

①、供電電源電壓：電壓AC220V±10%，頻率50Hz±5%；

②、寬頻帶變壓器工作頻率：400-5000Hz；

③、脫水電源輸出脈寬比：10%-85%連續可調；

④、調頻調壓電壓波形：矩形波；

⑤、脫水電源額定輸出功率：800W。

⑵、寬頻帶變壓器：變壓器的輸入端電壓是為10-60V的矩形波交流，頻率范圍：400-5000Hz，高壓輸出在1000-6000V連續可調。

⑶、石油密閉脫水儀:實驗時，將酸化油樣品脫水釜體內，可在超過100℃的高溫高壓下實現脫水。實驗前設置好溫度，自動加熱，達到溫度后就會自動轉換到保溫狀態。脫水過程中原始油樣始終處于密閉狀態，不暴露在空氣中。因此油品的輕組分不會散失到空氣中，不會產生污染。釜體額定容量為1500毫升。

⑷、原油高剪切乳化機：由高速旋轉的轉子與精密的定子工作腔配合，轉子以0rpm～10000rpm的高速，產生強勁的液力剪切、離心擠壓、高速切割及碰撞，使油樣充分分散、乳化、均質、混合。

2 實驗原理

原油乳化液是由原油與地層水在乳化劑的作用下形成的一種穩定的乳化液。含有多種礦物質的地層水部分具有一定的導電性，而原油部分是絕緣的。電脫水是在電脫水設備中設置脫水電極，在電極上施加高電壓，形成一定強度的電場，原油乳化液置于電場中。在高壓電場的作用下，原油中的小水珠發生極化，這種極化是連續的，呈現鏈鎖反應，這樣就使相鄰的水珠發生吸引而聚集成較大的水滴。如圖1所示，水滴形成后在重力的作用下水滴會下降至底部而原油上浮，這樣就達到了脫水的目的。因此，電脫水過程可概括為三個步驟：水滴極化→水滴聚結→水滴分離。

圖1、 原油電脫水過程示意圖

當兩個相鄰水珠的粒徑大小相等時，凝結力F的數值可用公式近似地表示為：

式中ε—原油的介電常數；E—外加電場強度；γ—表示水珠的半；S—表示兩水珠的中心距。

水珠在電場凝聚力F的作用下發生偶極聚結形成大水珠，然后在密度差作用下發生沉降分離，沉降速度滿足斯托克斯公式，此外原油乳化液在電極板間還會發生振蕩聚結。

3 試驗條件

本試驗要求在不同含水率、溫度、占空比、頻率、電壓（場強）、停留時間等條件下對酸化原油進行正交靜態分離試驗，試驗參數如下：

①、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同試驗溫度（45℃、60℃、70℃、75℃、80℃、90℃）溫度對油水分離的影響。

②、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同脈寬比（70%-85%）對油水分離的影響。

③、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同頻率（400Hz-5000Hz）對油水分離的影響。

④、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同電壓（場強）（2800～6400V）對油水分離的影響。

圖2、 油樣含水率30%時不同停留時間溫度對脫水效果的影響

⑤、用酸化返排液（含水率10%、20%、30%、40%），評價不同停留時間（30分鐘、40分鐘、50分鐘、60分鐘）對油水分離的影響。

4 部分實驗數據

⑴、溫度影響：根據溫度對原油粘度影響的一般規律可知，一般情況下，原油粘度隨著溫度的升高而降低，流動性則隨著粘度的降低而提高。以下實驗分別在溫度為45℃～90℃下進行。(見圖2)

表1、 脫水參數及實驗數據

實驗數據分析：

油樣含水率30%，油樣體積為1100ml，脈寬80%，脫水頻率為3.75KHz，脫水電壓4300V。改變脫水時間、改變脫水溫度為45℃、60℃～90℃。實驗結果表明，脫水后原油中殘余含水率隨脫水時間的延長而降低；隨著脫水溫度的增加油樣中的殘余含水率在降低。脫水效果受脫水溫度參數影響比較大，尤其是在80℃及以上，脫水40分鐘后，油樣中殘余含水率就小于5.00%。

（2）脫水電壓（場強）影響：

在油樣含水率為10%～40%、停留時間30～70min及脫水溫度70℃條件下，篩選電壓2200V～6400V、頻率3.75KHz、脈寬比80%下，研究電脫效果的影響因素，找出最佳脫水電壓（場強）。(見圖3)

表2、 脫水參數及實驗數據

實驗數據分析：

原始油樣含水率30%，油樣體積1100ml，脫水頻率3.7KHz。實驗在脫水溫度70oC、脫水時間30min～70min、脈寬80%條件下進行，只改變電場強度的情況下測試電脫后的油樣含水率，從圖中可以看出，隨著場強的增加，含水率急劇下降。脫水電流隨脫水電壓的增大而增大，脫水后原油中殘余含水率隨脫水時間的延長而降低。脫水時間在50分鐘及以上，脫水電壓在3100V～6400V，脫水后原油的殘余含水都小于5.00%，滿足實驗指標要求。其中2800V的脫水電壓的油樣脫水時間在30～70分鐘，脫水后油樣中的殘余含水率都高于5.00%，說明脫水電壓不能過低。

圖3、 油樣含水率30%時不同停留時間下場強對脫水效果的影響

⑶、工作頻率的影響

通過調整脫水電源的輸出頻率，不僅可以改變原油的振動聚結效率，同時還會影響原油的有效脫水時間。結合上面的實驗篩選結果，本次實驗在脫水溫度70℃、脫水時間30～60min、脈寬80%、脫水電壓（場強）4300V（623v/cm）條件下進行，油樣含水率10%～40%，改變脫水頻率實驗結果如下：

表3、 脫水參數及實驗數據

圖4、 油樣含水率20%時不同停留時間頻率對脫水效果的影響

實驗數據分析：油樣含水率20%，油樣體積為1100ml，脫水溫度70℃，脈寬比80%，脫水電壓4300V。變化脫水頻率：3.20KHz～4.90KHz。脫水電流隨脫水頻率的增大而減小。脫水后原油中殘余含水率隨脫水時間的延長而降低。分析該組實驗數據，脫水時間在50分鐘及以上，脫水后原油的殘余含水都小于5.00%，滿足實驗指標要求。該組實驗數據的最佳頻率為3.75KHz。最佳頻率隨油樣含水率的增加而減小。

實驗結論

利用矩形波交流調頻調壓脫水設備對SZ36-1 D28井采出的酸化原油進行電脫水的一系列實驗，都是按照國標或行業標準進行的，實驗過程有足夠的理論依據，經過系列實驗得出以下結論：

⑴、來自于SZ36-1D28井采出的酸化返排液，屬于酸化油，含水率大于30%，電脫出來水的PH值介于1到2之間，同時含有較多的膠質和雜質。利用矩形波交流脫水電源進行電脫水效果良好。矩形波電場由零開始瞬間躍變到極大值，使水珠中的正、負離子得到最大限度的加速，對乳化膜形成最為強烈的沖擊；破乳能力強，能解決這種酸化油的電脫水問題。

⑵、該酸化油受溫度影響較大，對溫度敏感，隨著溫度的升高處理效率會逐步上升。

⑶、對電脫參數，隨著通電時間的增加、脫水溫度的上升，脫水率會逐漸上升。

⑷、利用本實驗室研制的矩形波交流調頻調壓電脫水設備完全可以實現對該酸化油的快速脫水處理，可以使原油含水率達到5.0%以下。

⑸、經過系列實驗得出：在以下電脫參數下進行連續脫水效果相對較佳：脫水電壓（場強）為4300V（623v/cm）、頻率為3.75kHz、脈寬為80%、溫度為80℃、脫水時間為40分鐘。

[1]劉月，趙德智，戴詠川.大榭老化原油脫水工藝實驗研究.應用化工,2015(07).

[2]馬躍，黃曉東，唐曉旭，王忠樹，王彥青渤海油田油井酸化返排液對原油脫水的影響油氣田地面工程，2015.11