海上油田原油靜電聚結高效脫水技術研究

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)

海上油田原油靜電聚結高效脫水技術研究

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脫水技術，利用電場作用加速油水分離,顯著提高原油脫水效率。試驗結果表明，靜電聚結原油脫水技術可以減小處理設施尺寸和重量，能夠適應原油含水率高達95%以上的工況，并且可作為稠油脫水處理的有效技術手段。

高含水原油；脫水；靜電聚結；稠油；緊湊高效

0 引 言

目前，海上邊際油田開發以及深水浮式平臺的應用都對原油處理設備的高效性提出了更高要求，要求縮減平臺面積、減輕上部設施重量。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98%)，常規原油處理設備需要多級處理，顯然會受到平臺空間和建造成本的限制，也亟需新型高效的原油處理技術來滿足生產需要。另外，我國海上稠油油田儲量可觀，海上稠油油田的規模開發，必將面臨稠油處理技術問題的挑戰。稠油通常黏度大、乳化程度高，僅依靠常規技術處理，水力停留時間通常需要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以縮短水力停留時間。

為滿足海上油田開發對高效緊湊原油處理設備的迫切需求，創新性開展了靜電聚結原油脫水技術研究，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備，進行了實驗室和現場試驗研究。本文將結合具體研究內容從靜電聚結原理、實驗室研究、現場試驗研究等方面對靜電聚結原油脫水技術進行詳細介紹。

1 靜電聚結原油脫水技術原理

靜電聚結脫水是利用電場作用破壞原油乳化液，加快水滴聚結速度，進而提高分離效率。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油相中的沉降速度Vw符合Stokes定律，其近似計算公式如下：

(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力，而分散介質的黏度則是阻力源。油水分離時水顆粒的沉降速度與其自身粒徑的平方成正比，水顆粒粒徑是最關鍵的影響因素。當水顆粒的粒徑較小時(乳化狀態時，甚至是微米量級)，其在連續油相中的重力沉降速度很低。如果僅僅依靠常規重力沉降來完成油水分離過程，所需的停留時間無疑會很長。靜電聚結破乳技術的出發點就是引入外加電場，將原油置于高壓電場中，利用電場對分散相水顆粒產生的偶極力、電泳力以及介電泳力等電場力的作用，促進小水顆粒碰撞聚結變大，從而加速后續油水分離的進行[1—3]。水顆粒的受力及靜電聚結過程如圖1所示。

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

為了適應高含水原油處理需要，有效防止水顆粒導致的電場短路，需要設置絕緣層[4]。適用于高含水原油處理的帶絕緣層的電場強度為[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；Eo為電場強度；U為電極之間的電勢差(電源電壓)。

2 室內實驗研究

2.1 渤海某油田原油乳化液靜電聚結脫水室內實驗研究

室內實驗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，根據目標含水值，在燒杯中稱取油樣，加入計算好的水量，50℃預熱后用剪切乳化機攪拌，制成實驗用原油乳化液，保證室溫下8h沒有明水析出，配置的乳化液分離難度與現場情況接近。渤海某油田原油性質如表1所示。

表1 渤海某油田原油性質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脫水實驗

實驗條件： 實驗溫度為80℃，加電場時間20min，電壓2000V。配制含水量分別為20%、 30%、 40%、 50%和60%的穩定原油乳化液，考察不同含水量原油乳化液的靜電聚結脫水效果。實驗結果如圖2所示。

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

實驗結果表明，靜電聚結技術對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，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脫水實驗

實驗條件： 試驗溫度為80℃，加電場時間20min，原油乳化液含水量40%。考察原油乳化液在400～2800V不同電壓下的靜電聚結脫水效果。實驗結果如圖3所示。

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

實驗結果表明，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。當電壓大于800V時，含水40%的原油乳化液的脫水率可以達到82%以上；當電壓增加至2800V時，脫水率可達91%以上。水是極性分子，當處在電場中時，能夠發生偶極聚結、電泳聚結和振蕩聚結。在交流電場中以偶極聚結和振蕩聚結為主。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，脫水效率明顯上升，電壓增大至2000V左右時，繼續增大電壓脫水效率提升不再明顯，表明2000V電壓產生的聚結力較為適宜，電場強度達到較優區間。不同電場強度影響水滴聚結力強弱的趨勢一致，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不同水力停留時間原油靜電聚結脫水實驗

實驗條件： 實驗溫度為80℃，加電場時間20min，電壓2000V，原油乳化液含水量40%。考察原油乳化液在4～40min水力停留時間下的靜電聚結脫水效果。實驗結果如圖4所示。

圖4 脫水效果與水力停留時間關系曲線Fig.4 Dehydration effects with different hydraulic retention time

實驗結果表明，隨著水力停留時間的增加，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，當水力停留時間為10min時，脫水率即可達到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脫水室內實驗研究

采用渤海某稠油油田52%含水原油原樣進行室內實驗。該稠油油田原油為高黏原油，油品具體性質如表2所示。

表2 渤海某稠油油田原油性質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脫水室內實驗

實驗條件： 60g乳狀液，預熱15min，電壓2500V，加電時間40min。

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

原油靜電聚結和重力沉降脫水效果隨溫度變化曲線如圖5所示。實驗結果表明，僅依靠重力沉降，溫度升高對原油脫水的促進作用不明顯，溫度在80～120℃時，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，經過靜電聚結作用后，溫度從80℃升至140℃時，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脫水室內實驗

實驗條件： 溫度90℃，預熱15min，加電時間40min。

原油靜電聚結脫水效果隨電壓變化曲線如圖6所示。實驗結果表明，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。當電壓超過2500V時，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系曲線Fig.6 Dehydration effects with different voltages for heavy oil

2.2.3不同停留時間的原油靜電聚結脫水室內實驗

實驗條件： 溫度90℃，預熱15min，電壓2500V，加電時間40min。

原油靜電聚結脫水效果隨水力停留時間變化曲線如圖7所示。實驗結果表明，隨著水力停留時間的延長，含水52%的原油脫水后含水量快速降低，脫水率提高。當水力停留時間為40min時，剩余水為22.16%，之后繼續增加水力停留時間，下降趨勢變緩。當水力停留時間為60min時，剩余水為17.95%。總體而言，相較于采用常規處理技術所需十多個小時的脫水時間，原油靜電聚結脫水技術的脫水時間大幅縮短，大大提高了脫水效率。

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

3 現場應用試驗研究

3.1 試驗設備簡介

在流花11-1油田現場應用測試的靜電聚結設備結構示意如圖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構示意圖Fig.8 Structure diagram of electric coalescence device for high water-cut crude oil dehydration

現場測試中，進入試驗設備的取樣從測試分離器進料口引出，溫度和含水率等參數與三相分離器基本一致。通過與現場三相分離器和電脫水器分離效果綜合比較，考察原油靜電聚結脫水設備處理效果。

3.2 現場測試結果及分析

水力停留時間為40min時(與現場三相分離器水力停留時間相同)，考察電壓對靜電聚結脫水效果的影響，具體影響結果如圖9所示。可以看出，經靜電場作用后，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；繼續升高電壓，脫水率提升明顯，脫水后含水率從8kV時的1.6%降低至10kV時的0.75%。同時，當原油含水率在88%～96%之間波動時，該設備均能將脫水后原油含水率維持在2%以下，說明設備對高含水以及含水量波動工況具有良好的適應性。

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

靜電聚結原油脫水率與水力停留時間的關系如圖10所示。可以看出，靜電聚結脫水效果顯著，當水力停留時間為10min時(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，隨著水力停留時間的延長，原油脫水后含水率逐漸降低，水力停留時間為40min時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間關系曲線(現場試驗)Fig.10 Dehydration effects with different hydraulic retention time in field test

4 結 語

高含水原油靜電聚結脫水技術采用絕緣電極用于靜電聚結過程，利用電場加速油水分離，同時有效避免極間電流過大和短路的產生。海上試驗結果表明，靜電聚結脫水技術對原油高含水工況(綜合含水率80%以上)具有很強的適應性。

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

相比傳統的海上原油處理流程，靜電聚結脫水技術油水分離效果出色，不僅可以減少處理設備體積和重量，并可作為稠油脫水工藝的有效技術手段，為將來海上油田稠油儲量的大規模動用提供技術支持。

[1] Lee C M, Sams G W, Wagner J P. Power consumption measurements for AC and pulsed DC for electrostatic coalescence of water-in-oil emulsions [J]. Journal of Electrostatics, 2001,53(1)： 1.

[2] Sams G W, Kenneth W. New methods of application of electrostatic fields [C]. AIChE 2004 Spring National Meeting, 2004.

[3] Bailes P J, Larkai S K L. Liquid phase separation in pulsed D.C. fields. An experimental investigation into the use of high voltage D.C. fields for liquid phase separation [J]. Chemical Engineering Research and Design, 1982,60(2)： 115.

[4] 張黎明,何利民,馬華偉,等.絕緣緊湊型電破乳器中液滴聚結特性研究[J].中國石油大學學報(自然科學版),2007,31(6)： 82.

Zhang Li-ming, He Li-min, Ma Hua-wei, et al. Coalescence characteristics of droplets in insulated compact electric demulsifier [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Natural Science), 2007,31(6)： 82.

[5] 陳家慶，尚超，丁藝，等．矩形流道靜電聚結破乳機理與動態特性研究[J]．石油天然氣學報，2011，33(4)： 142.

Chen Jia-qing, Shang Chao, Ding Yi, et al. Research on electrostatic coalescing demulsification mechanism and dynamic characteristics in rectangular flow channel [J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2011,33(4)： 142.

[6] 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]．石油化學高等學校學報，2010，23(3)： 11．

Ding Yi, Chen Jia-qing, Shang Chao, et al. Research on the electro static coalescing demulsification of water-in-oil emulsions in rectangular flow channel [J]. Journal of Petrochemical Universities, 2010,23(3)： 11.

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備設計及研究。

TE624.1

A

2095-7297(2017)05-0260-06