LD16-1海洋稠油油水分離研究*

曹振興，李春賢，鄭曉鵬，申明周，王春升

（1．中石化煉化工程（集團）股份有限公司洛陽技術研發中心，河南洛陽471003；2．中海油研究總院，北京100027）

LD16-1海洋稠油油水分離研究*

曹振興1，李春賢1，鄭曉鵬2，申明周1，王春升2

（1．中石化煉化工程（集團）股份有限公司洛陽技術研發中心，河南洛陽471003；2．中海油研究總院，北京100027）

針對海上稠油油水分離效率低的問題，研究了靜電聚結脫水技術在此領域的應用。通過檢測LD16-1采出液及原油性質，詳細分析了稠油油水分離動力，并考察了靜電聚結參數對油水分離工藝的影響。研究表明：靜電聚結技術的使用有利于稠油中水滴的聚結及沉降析出，同時能夠適應多種高含水條件下的工況，稠油脫后含水滿足后期工藝要求；水質量分數為52%的LD16-1乳化液在溫度90℃、破乳劑用量100μg／g、電壓2 500 V和停留時間40 min等優化條件下，脫后稠油中水的質量分數小于20%；脫水溫度對稠油的油水分離過程影響較大。

稠油 油水分離 靜電聚結 電脫水

動力黏度大于400 mPa·s（50℃）的原油，國內的稠油劃分標準有普通稠油、特稠油和超稠油之分，而國外則統稱為重質原油［1］。隨著石油資源的日益匱乏和稠油開采技術的發展，稠油開發得到充分重視，但是稠油脫水問題也變得越來越突出。與常規原油的油水分離過程相比，稠油由于其黏度高和油水密度差小的原因往往導致水滴沉降速度緩慢，油水分離困難，特別是進入油田開采后期，隨著水含量的升高，稠油的油水分離難題進一步加劇，脫水成本升高。

靜電聚結脫水技術［2-5］作為高含水原油乳狀液油水分離處理的代表性技術，其采用復合電極進行有效電場的建立，可以避免類似金屬電極在高含水工況下的電場垮塌、電流激增等不利現象，實現油水的分離或滿足后期電脫水罐工藝處理要求。以LD16-1油田采出液為研究對象，分析探討了稠油的油水分離動力，研究了海上稠油油水分離過程的靜電聚結參數，為后期稠油油井開發提供技術參考。

1 原料油性質

試驗所用原油樣品為LD16-1油田采出液，其主要性質見表1。從表1可以看出：LD16-1油田采出的乳狀液具有密度大、黏度高及含水高等特點，其形成的乳化液性質非常穩定。

表1 LD16-1油田采出液主要性質

2 試驗儀器與方法

2．1 試驗儀器

電脫水試驗儀、萬能擊穿裝置、具塞量筒、下排水不銹鋼罐、尼康TS100F顯微系統和SYP型智能玻璃恒溫水浴。

2．2 試驗方法

（1）靜電聚結電脫水方法

將配置好的油樣和破乳劑加入試驗罐內，在試驗溫度下預熱15 min，然后混合100次，進行各種條件的脫水試驗；試驗完成后，從下部排出水并進行稱質量，最后計算出油中水含量。

（2）乳狀液制備方法

含水高的乳狀液制備方法：以水質量分數52%的乳化原油為基礎，在鋼質罐內加入適量的油樣，然后加入計量好的蒸餾水，在試驗溫度下預熱15 min，手工振蕩混合100次，配制水質量分數分別為60%，80%和90%的試驗用油。

（3）水含量計算方法

脫后油中水含量按式（1）計算：

式中：C為脫后油中水質量分數，%；W1為脫前油中水質量，g；W2為脫后罐底排水量，g；W為試樣總質量，g。

3 沉降動力分析

3．1 沉降原理

水滴在油連續相中的沉降速度可以用Stoke公式表示：

式中：VS為沉降速度，m／s；d為水滴直徑，m；ρw為水的密度，kg／m3；ρo為油相的密度，kg／m3；g為重力加速度，m／s2；μ為油相的動力黏度，Pa·s。

從式（2）可以看出：水滴的沉降速度與水滴直徑、油水密度差成正比，而與連續相的黏度成反比。因此原油密度大、水含量低和黏度高是導致油水分離效率低的直接原因。

3．2 LD16-1原油的油水分離動力分析

LD16-1采出液經多級高溫脫水后的原油性質見表2。從表2可以看出：經多級電脫水后，LD16-1原油水質量分數1．72%。與采出液性質相比，密度變化不大，而黏度（80℃）則大幅降低，降幅比例達78．2%（質量分數），但是數值仍然較大，達到496．2 mm2／s，不易于水滴的沉降過程。

表2 LD16-1原油性質

利用瓦斯特公式［6-7］（Walther-ASTM）對LD16-1原油進行了黏度計算，計算結果見表3。

表3 LD16-1原油黏度和溫度之間的關系

通過對 Stoke因子［8-9］（即（ρw－ρo）μ－1）繪圖，見圖1。LD16-1原油理論脫水溫度宜選擇在80～120℃，此溫度區間內黏度降低值較大并保有可觀的密度差，脫水速度較快。

圖1 不同溫度下LD16-1原油的Stoke因子

4 結果與討論

4．1 自然沉降

試驗方法：稱取一定量的油樣倒入具塞量筒內，將其放入恒溫水浴中預熱15 min，觀察、記錄一定時間內的出水量。

具體試驗條件：70 g采出液，預熱15 min，靜置40 min。試驗結果見表4。

表4 自然沉降試驗結果

從表4試驗數據可以看出：水質量分數為52%的LD16-1乳化液，單靠自然沉降，溫度120℃以下，幾乎沒有水沉降出來，即使溫度升高到140℃，脫水效果非常差，脫后水質量分數仍高達46．9%，形成的乳化液性質穩定。

4．2 靜電聚結脫水試驗

（1）不同溫度

試驗條件：預熱15 min，加電壓2 000 V，時間40 min。試驗結果見圖2。

圖2 不同溫度下的脫水對比

從圖2可以看出：水質量分數為52%的LD16-1乳化液，采用靜電聚結技術后，油水分離速度明顯加快，溫度越高，油水分離越快，130℃時脫后水質量分數降至16．58%。

（2）不同電壓

試驗條件：70 g采出液，溫度90℃，預熱15 min，通電40 min。試驗結果見圖3。

圖3 脫后水含量與施加電壓的關系

從圖3可以看出：在相同試驗條件下，水質量分數為52%的LD16-1乳化液的脫后含水隨施加電壓的增大開始降低，2 000 V之前脫后含水降低幅度不大，較之前水質量分數降低27．9%，當電壓加大至2 500 V之后，脫后含水出現了一個較大的變化幅度，脫后水質量分數降低57．4%。隨電壓進一步加大，此變化幅度基本保持不變。

（3）不同停留時間

試驗條件：70 g采出液，溫度90℃，預熱15 min，加電壓2 500 V，時間40 min。試驗結果見圖4。從圖4可以看出：在相同試驗條件下，水質量分數為52%的LD16-1乳化液的脫后含水隨停留時間的增加而降低。停留時間在大于40 min時，脫后水質量分數基本在20%左右，較停留時間在20 min時的46．37%脫后水質量分數變化較大，所以停留時間應選擇在40 min以上。

（4）不同破乳劑用量

試驗條件：70 g采出液，溫度80℃和90℃，預熱15 min，混合100次，加電壓2 500 V，時間40 min。試驗結果見圖5。

圖5 脫后水含量與破乳劑使用量的關系

從圖5可以看出：在靜電聚結試驗過程中，破乳劑對水質量分數為52%的LD16-1乳化液的脫水效果有較大的促進作用。在相同條件下，脫后含水隨破乳劑使用量的增加而降低；靜電聚結脫水溫度由80℃提高至90℃時，破乳劑對脫水效果的提升明顯占優，脫后含水率出現直線下降趨勢。

4．3 高含水稠油靜電聚結脫水模擬試驗

以水質量分數為52%的采出液為基礎，通過加水剪切乳化分別制備水質量分數為90%，80%，70%和60%的乳化液進行靜電脫水試驗，油水分離結果見圖6。從圖6可以看出，靜電聚結技術有利于稠油乳化液的油水分離，即使面臨開采后期稠油含水量的提高仍可使脫后水質量分數控制在20%左右，滿足后期電脫水裝置處理工藝的進料要求（水質量分數低于30%［10］）。

圖6 靜電聚結脫水技術油水分離效果

5 結 論

通過研究靜電聚結脫水技術在海上稠油油水分離過程中的應用，得到以下結論：

（1）LD16-1稠油由于具有密度大、黏度高、含水高和乳狀液穩定等特點，造成常規油水分離技術難以實現有效的油水分離，效率低下。

（2）靜電聚結技術可以加速稠油中水滴的聚結及沉降析出。水質量分數為52%的LD16-1乳化液在優化工藝下：溫度90℃、破乳劑用量100 μg／g、電壓2 500 V、停留時間40 min，脫后水質量分數小于20%。

（3）在相同試驗條件下，提升脫水溫度、停留時間、電壓和破乳劑用量對稠油的靜電聚結脫水有較大促進作用。其中，提高脫水溫度的作用相對突出。

（4）靜電聚結脫水技術能夠應對開采后期稠油含水量升高的問題，適應工況變化能力突出。

［1］ 張兵強．中原油田毛8區塊稠油乳化特性及脫水工藝研究［D］．成都：西南石油大學，2013．

［2］ 崔新安，彭松梓，申明周，等．靜電聚結原油脫水技術現場應用［J］．石油化工腐蝕與防護，2013，30（3）：44-47．

［3］ 彭松梓，崔新安，王春升，等．靜電聚結原油脫水試驗研究［J］．石油化工腐蝕與防護，2012，29（5）：3-6．

［4］ Erik Sellman，Pavan K Mandewalkar，Gary W Sams．Compact Electrostatic Treaters for Floating Production Systems［C］．Brazil：OTC24303，2013．

［5］ Erik Sellman，Pavan Mandewalkar，Gary W Sams．Compact and Light Weight Equipment for Floating Offshore Production Facilities［C］．Malaysia：OTC24727，2014．

［6］ 楊筱蘅，張國忠．輸油管道設計與管理［M］．北京：清華大學出版社，2004：80-87．

［7］ 周宏志．原油黏溫公式的精度分析［J］．煉油與化工，2009（3）：8-10．

［8］ Erik Sellman，Pavan Mandewalkar，Gary Sams．Improved Deaalting of Challenging Crude Slates［C］．Kuwait：SPE167376，2013．

［9］ Erik Sellman，Gary Sams，S．Pavan Kumar Mandewalkar．Improved Crude Oil Dehydration OPEX using Advanced Electrostatic Forces［C］．Kuwait：SPE163305，2012．

［10］國家發展和改革委員會．原油電脫水設計規范：SY／T 0045—2008［S］．2008：2．

Study on Oil-water Separation of LD16-1 Offshore Heavy Oil

Cao Zhenxing1，Li Chunxian1，Zheng Xiaopeng2，Shen Mingzhou1，Wang Chunsheng2
（1．SEGLuoyang R＆D Center of Technology，Luoyang 471003，China；2．CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China）

Electrostatic coalescence dehydration technology was applied to address the low efficiency problem of offshore heavy oil oil-water separation．Properties of LD16-1 produced fluid and crude oil were tested，and separation dynamics was analyzed in detail．Influence of electrostatic coalescence parameters on oil-water separation process was also reviewed．The results showed that electrostatic coalescence technology was beneficial to coalescence and precipitation of water droplets in heavy oil，and it could also adapt to various conditions with high water concentration；under the optimum conditions（90℃，100μg／g dosage of emulsion breaker，2 500 V AC，40 min residence time），water content after dehydration decreased from52%to less than 20%；furthermore，dehydration temperature played a major role in the oil-water separation process．

heavy oil，oil-water separation，electrostatic coalescence，electric dehydration

2017-05-24；修改稿收到日期：2017-08-15。

曹振興（1985—），工程師，現從事煉油裝置工藝防腐蝕工作。E-mail：caozx．lpec＠sinopec．com

中海油外委科技項目“旅大16-1油田靜電聚結脫水實驗研究”（14029C290）。

（編輯 張向陽）