老化油乳化液在高頻高壓脈沖交流電場下的破乳脫水實驗研究

李瑋健，陳家慶，張 明，尚 超，孟 浩，王春升

(1.北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617；2.深水油氣管線關鍵技術與裝備北京市重點實驗室；3.中海石油(中國)有限公司北京研究中心)

中海油深圳分公司流花11-1油田的老化油主要來源于水力旋流器和緩沖罐排出的污油、動態電脫鹽器排出的乳化層及底部長時間沉積的雜質，有較高的穩定性和導電性。原油處理流程中老化油的存在既占脫水設備的有效容積，也影響動態電脫鹽器的正常工作，因此必須對老化油進行有效的破乳處理。海上平臺空間小、承重有限，采取應用廣泛且技術相對成熟的電場破乳脫水方法更為合理，但常規電脫水(鹽)器使用的工頻高壓電場處理老化油時容易出現“垮電場”現象。根據國內外學者的相關研究，對于老化油之類的復雜穩定WO型乳化液的電場破乳，高頻高壓脈沖交流電場在破乳效率、能耗和電場穩定性方面有更大優勢[1-2]。雖然國內外學者目前對于高頻高壓脈沖交流電場破乳過程中存在最優電場強度和電場頻率已經形成共識，但對采用何種電壓波形最優仍然存在一定分歧[3-4]。結合高頻高壓脈沖交流電場破乳處理老化油這一具體問題，迄今為止公開發表的文獻仍存在實驗方案不夠完善、研究分析不夠深入等缺憾[5]。潘澤昊等[6]采用流花油田老化油進行了高頻高壓脈沖電場破乳脫水實驗，但只探討了場強和頻率對破乳脫水效果的影響，沒有提及電壓波形。鄒萬勤等[7]研發的變頻變壓脈沖脫水電源，可輸出電壓±600 V～±60 kV、頻率50～20 kHz、脈寬比10%～92%的交流方波電場，目前安裝在渤海油田浮式生產儲卸油裝置上處理原油、老化油和酸化壓裂返排液，但未能給出處理效果的具體數據。基于此，本研究擬基于高頻高壓脈沖交流電場，通過對穩定性較強的WO型老化油乳化液開展系統全面的電場破乳+離心強化沉降脫水實驗，得出最優電場破乳參數，以期為流花11-1油田老化油處理工藝的優化提供技術支持。

1 實 驗

1.1 原料性質

老化油來自南海流花11-1油田，性質見表1。流花油田老化油屬于高密度、高黏度、高酸值、低硫重質原油。

1.2 實驗裝置

電場破乳實驗所用靜態瓶式靜電聚結器結構如圖1所示，采用三層環形玻璃結構使乳化液在電場作用下的油水分層現象可視化。

表1 老化油的性質及組成

圖1 靜態靜電聚結破乳實驗裝置示意

1.3 實驗方法

圖2 不同含水率乳化液剪切不同時間后的穩定性■—含水率10%，剪切6 min； ●—含水率20%，剪切8 min； ▲—含水率30%，剪切11 min； ◆—含水率40%，剪切17 min

實驗采用“電場破乳+離心強化沉降脫水”方法。通過改變剪切時間確保不同含水率乳化液在加電前的乳化程度相同，從而使后續電場破乳特性研究數據更加準確可靠。使用Turbiscan穩定性分析儀進行乳化液穩定性測試，結果如圖2所示。配制含水率10%，20%，30%，40%乳化液的剪切時間分別為6，8，11，17 min，靜置3 h后TSI(Turbiscan穩定性指數)值皆在0.25左右，說明不同含水率乳化液的乳化程度和穩定性基本一致。經電場破乳和離心脫水作用后的乳化液底部有明水析出。

2 結果與討論

2.1 老化油黏溫及反相特性分析

原油乳化液黏度隨含水率變化而變化，含水率較低時，黏度隨含水率增加而升高，此時為WO型乳化液，含水率繼續升高超過某一數值時，黏度隨含水率升高而迅速下降，此時乳化液反相變為OW型乳化液。本研究基于WO型乳化液開展電場破乳研究，為確定實驗樣品為WO型老化油乳化液，需通過其黏溫特性判斷反相點。

黏溫特性測試采用Anton Paar流變儀的“剪切速率恒定+時間掃描”模式，測試過程中設置溫度由100℃到20 ℃線性下降，剪切速率450 s-1，老化油乳化液黏度隨溫度和含水率的變化如圖3所示。

含水率：●—10%； ■—20%； ▲—30%；

溫度： ■—20 ℃； ●—30 ℃； ▲—40 ℃； ℃；

從圖3(a)可以看出：不同含水率乳化液黏度皆隨溫度升高而降低，且溫度較高時黏度變化緩慢；溫度降低時黏度的增長率隨之升高。從圖3(b)可以看出，不同溫度下，乳化液黏度隨含水率先升高后降低，在含水率為40%處達到最高點，可以確定乳化液在40%的含水率下發生反相。因此，后續實驗選擇含水率40%及以下的乳化液，確保實驗對象為WO型乳化液。

2.2 高頻高壓電場破乳的有效性

對含水率為40%的老化油乳化液加電壓6 kV、頻率2 kHz、波形為矩形波的高頻高壓脈沖交流電場，加電時間1 min。加電前后分別在乳化液表層處取樣，使用偏光顯微鏡放大500倍觀測到的油水兩相如圖4所示。

圖4 加電前后老化油乳化液的微觀狀態對比

由圖4(a)可以看出，水相以大量粒徑較小的水顆粒形式分散在油相中，平均粒徑約為1 μm，視野范圍內的最大粒徑約為5 μm；由圖4(b)可以看出，水顆粒粒徑顯著增大且數量急劇減少，平均粒徑約為10 μm，拍攝到的最大水顆粒粒徑約為40 μm。顯然，高頻高壓脈沖交流電場促進了水顆粒的聚結長大。加電后錐底量筒底部析出明水7 mL。

2.3 電場強度對脫水率的影響

保持電場頻率為2 kHz、電壓波形為矩形波、占空比(占空比是高電平時間與周期時間之比)為0.5不變，分別對3，4，5，6，7，8 kV共6種輸出電壓值進行實驗。由于乳化液處于環形電場內，流道橫截面各處電場強度不一致，因此以施加在高壓電極上的電壓幅值表征電場強度。圖5所示為含水率40%的老化油乳化液在不同電場強度作用下經過離心沉降后的脫水率。

由圖5可知，老化油乳化液存在最優電場強度，即電壓幅值為6 kV，在此之前乳化液脫水率隨電壓值增加而增加，達到6 kV后過高的電壓值對水顆粒靜電聚結有了抑制作用，使得脫水率下降。WO型乳化液中的水顆粒在電場作用下發生極化，水顆粒之間碰撞聚結長大，并在離心力場強化作用下沉降，最終達到油水分離的目的。增加電場強度可以增大液滴之間的吸引力，增加液滴變形度進而使油水界面膜的機械強度降低，使相鄰水顆粒發生碰撞聚結。在此階段，乳化液脫水率隨場強升高而升高。但達到一定電場強度后，過大的電場作用力使水顆粒過度變形進而破碎形成二次液滴，抑制了水顆粒的聚結長大，因而導致脫水率隨電壓幅值進一步升高而回落。

圖5 老化油乳化液脫水率隨電場強度的變化

2.4 電場頻率對脫水率的影響

保持電壓幅值6 kV、電壓波形為矩形波、占空比0.5不變，對含水率40%的老化油乳化液，改變電場頻率(0.05，1.0，1.5，2，2.5，3 kHz)，觀察頻率對乳化液電場破乳脫水效果的影響，結果見圖6。由圖6可知：①乳化液脫水率隨頻率增加而增加，當頻率達到2 kHz時老化油乳化液脫水率達到最大，乳化液在頻率為2 kHz時的脫水率為74.074%，頻率進一步增大時脫水率反而減小；②對比工頻(0.05 kHz)和高頻電場(1.0，1.5，2，2.5，3 kHz)的破乳效果，可以看出高頻電場作用效果明顯優于工頻電場。改變乳化液含水率，最優電場破乳參數不變。

圖6 老化油乳化液脫水率隨電場頻率的變化

2.5 電壓波形對脫水率的影響

保持電壓幅值6 kV、電場頻率2 kHz、占空比0.5不變，對乳化液進行不同波形的電場破乳實驗，分別觀察矩形波、正弦波、三角波和脈沖直流波下的電場破乳效果，不同波形下的脫水率如圖7所示。由圖7可知，矩形波條件下乳化液脫水率最高，脈沖直流條件下脫水率最低。因此，不同波形按電場破乳效果比較，由強到弱依次為矩形波>正弦波>三角波>脈沖直流波，最優波形為矩形波。

圖7 老化油乳化液脫水率隨電壓波形的變化

圖8 一個周期內4種波形的電壓幅值變化

4種電壓波形在一個周期內的電壓幅值變化如圖8所示。由圖8可知：存在臨界電場強度Ea(即最優電場破乳強度)、最小有效電場強度Ec分別為電分散區和電壓有效區、電壓有效區和電壓無效區的分界值。不同波形的電壓幅值在一個周期內有不同的變化規律。在電壓均方根值相同的情況下，矩形波在一個周期內處于電壓有效區的時間最長，對分散相水顆粒的靜電聚結的促進作用最大，因此矩形波最有利于液滴聚結。此外，高頻交流電場對分散相液滴的作用力在短時間內不斷反向，使液滴高頻震蕩并加大形變量，更有利于液滴的碰撞聚結。

3 結 論

(1)對比高頻電場和工頻電場破乳效果，由乳化液脫水率可知，高頻高壓脈沖交流電場破乳效果明顯優于工頻高壓交流電場。高頻電場能夠促進分散相水顆粒振蕩范圍的增大、顆粒變形程度的加劇，從而提升水顆粒的聚結長大效果，為后續加速沉降營造良好的前提條件。