海上油田平臺三相分離器靜電聚結改造及現場應用

張 明 尚 超 平朝春 王春升 鄭曉鵬 王海燕

(中海油研究總院有限責任公司 北京 100028)

傳統的原油脫水重力沉降原理認為水滴的沉降速度符合Stokes定律。影響水滴沉降速度的主要因素有油水兩相密度差、黏度、粒徑，由于油水較易形成乳化液，僅僅依靠重力沉降進行油水分離，會造成分離設備體積和質量較大。電場可以對分散相水滴產生聚結作用，使小水滴聚集變大，大大減少沉降分離的時間。傳統的電脫水分離器使用金屬裸電極，在原油高含水率時容易造成電極擊穿，難以正常工作。新型原油靜電聚結脫水技術創新性采用絕緣電極施加電場，可以適應高含水原油脫水條件，利用電場作用破壞原油乳化液，使水滴互相吸引、聚結并最終沉降，實現與原油徹底分離。該項技術的成功應用可以大幅減小原油脫水設備的尺寸和質量，對降低海上平臺開發投資具有重要意義。

國外對靜電聚結器的研究開展得較早。20世紀80年代，英國Bradford大學化學工程系的Bailes教授課題組研發出靜電破乳器，可適應含水質量分數65%以上的脫水工況[2]。1991年， Bailes開展了W/O 型原油乳化液在高壓脈沖DC電場下的破乳研究,結果表明含水質量分數高達50%的原油乳化液可以在高壓脈沖DC電場得到較好的處理。后來，ABB研究中心與挪威科技大學(NTNU)、SINTEF合作發明了容器內置式靜電聚結器(Vessel Internal Electrostatic Coalescer,VIEC)[3],并于2003年在TrollC采油平臺的第一級三相分離器上安裝使用[4]；Aible公司推出了能適應150 ℃高溫環境的VIEC[5]；Vetco Aibel公司研制了處理能力39.7 m3/h 的測試分離器，對靜電聚結模塊組件通電后可使分離效率由27%提高到97%[6-7]。

國內目前在此方面的研究還處于起步階段。陳家慶 等[8]發明了一種基于介電泳破乳機理的新型原油電脫水、脫鹽設備，其核心部分為電極組件，采用波紋板狀電極，電極表面均覆蓋絕緣層；后期他們又針對容器內置板式絕緣電極開展了大量研究工作[9-10]。張黎明 等[11]設計出一種絕緣緊湊型電破乳器，并采用聚四氟乙烯和環氧樹脂作為絕緣材料進行了試驗。何利民 等[12]發明了一種高效靜電聚結器，其電極為筒狀電極，外包裹致密絕緣層，筒狀電極間距小，施加電壓后產生高強電場，原油乳狀液中的水滴長大、沉降速度增大，實現了油水的快速分離。

從2010年開始，崔新安、彭松梓、張明、尚超 等[13-16]針對新型靜電聚結原油脫水技術開展了技術攻關，并研發了新型絕緣電極，研制了試驗樣機，在海上油田現場進行了小試、中試驗證，取得了較好的處理效果，設備均運行穩定。通過海上油田現場試驗，對新型靜電聚結原油脫水裝置的操作參數進行了驗證和優化，為該項技術的推廣和應用奠定了基礎。本文針對某海上油田 PUQB平臺二級三相分離器進行了升級改造，在已有分離器內設計安裝了靜電聚結裝置，成功實現了現場應用，可為其他類似油田生產提供參考。

1 原有設備現狀及分離器靜電聚結改造

1.1 油田原有油水分離設備現狀

目標油田原油屬于中質油，20 ℃時的密度為 870 kg/m3。目前在PUQB平臺二級分離器上游設置了一臺氣液旋流分離器(GLCC)進行氣液分離，氣液旋流分離器的氣相出口匯集到二級分離器的氣相出口，液相出口進入二級分離器進行油水分離。PUQB現有二級分離器是常規的單堰板式三相分離器(圖1)，利用堰板將分離器內部空間分隔成混合沉降室和油室，在混合室進行重力沉降油水分離，低含水原油由堰板上沿溢流至油室，通過原油出口進入下游處理流程。二級分離器A、B并聯運行，分離器尺寸為3.6 m(直徑)×10 m(長度)。目前現場處理液溫度為72～73 ℃，操作壓力為320 kPaG。由于上游井口工況波動較大，單臺二級分離器的處理液量變化范圍在5 000～9 000 m3/d，而原設計最大處理液量為5 984 m3/d，實際處理量已經遠遠高于其原有設計能力。二級分離器入口來液含水率在10%～70%波動，改造前二級分離器油相出口含水率為4%～35%，隨入口來液含水率波動而發生大幅變化。二級分離器的下游流程為電脫水器，根據相關規范，電脫水器只能適應含水率為30%以下的原油脫水處理工況，在目前高含水狀態下工作已經有較高的電極擊穿風險。考慮到未來井口原油含水率仍有逐漸上升的趨勢，會對已有原油處理系統造成更大的挑戰，因此急需對現有處理設備進行改造。

圖1 PUQB平臺現有二級分離器簡圖

1.2 分離器靜電聚結改造

靜電聚結技術僅需要在分離器內部增加電極結構，不需要新增甲板面積即可實現原油處理系統處理能力的擴容，可適應未來高含水期油田生產處理的需要。本次改造工作通過在目標油田 PUQB平臺二級分離器B實施靜電聚結改造，在分離器B罐體內部增加了靜電聚結組件(圖2)，為傳統的重力沉降分離器增加了電場聚結破乳功能，從而提高了油水分離效率，同時減少了下游電脫水分離器的處理壓力。二級分離器B升級改造后與二級分離器A繼續并聯運行，對比驗證改造后的處理效果。

圖2 靜電聚結改造后的PUQB平臺二級分離器簡圖

本次改造采用四層電極結構，每兩層為一組，上下兩組電極可以實現獨立控制，便于根據分離器實際油水界位位置進行通電調節。電極主要布置在油相區和油水界面乳化層的位置，可以利用電場的作用加速破乳和水滴聚結，從而提高油水分離效率。電源接入采用罐體開孔高壓引入，新增變壓器布置在分離器上部的操作平臺。為便于現場操作，新增了現場控制盤，可以實現對上下兩組電極的分別供電。

分離器內部的油水界位測量原采用的是磁浮子液位計，一直存在界位測量不準的問題。為了更好地對分離器油水界位進行準確調節和控制，保證靜電聚結電場的作用區域，本次改造為分離器增加了射頻導納界位計。考慮到二級分離器罐體頂部存在一定的氣相空間，為了保證電極組件通電工作時能完全浸沒到液相中，本次改造為二級分離器增加了一個浮球液位開關，當分離器內液位低于電極組件高度時，觸發開關控制變壓器自動斷電，并且要求在罐內液位高度滿足要求時才允許變壓器通電運行。

2 現場應用效果分析

2.1 分離器油出口含水處理效果對比

PUQB平臺二級分離器A、B并聯運行，需要處理的物流平均分配到A、B兩個分離器，入口液量和含水工況一致。如圖3所示,A分離器未進行靜電聚結改造，在入口含水10%～62%工況下，油出口含水在3%～36%變化，處理效果隨入口含水率變化上下浮動較大。由于部分工況下分離器油出口含水率較高，超過30%含水的原油進入后續電脫水分離器處理也會使電脫水分離器增加掉電的風險。如圖4所示，B分離器進行了靜電聚結改造，在電場的作用下，油相中水滴聚結變大，強化了油水分離效率，在同樣的入口含水10%～62%工況情況下，油出口含水可以始終保持在1%以下，改造后處理效果提升非常明顯。

圖3 未進行靜電聚結改造的PUQB平臺二級分離器A油出口含水率變化

圖4 靜電聚結改造后的PUQB平臺二級分離器B油出口含水率變化

2.2 分離器水出口含油處理效果對比

三相分離器的水出口含油量也是衡量分離器處理效果的重要參數。如果水出口含油量過高，會增加下游生產水處理系統的處理負擔以及生產水處理不達標的風險。PUQB平臺二級分離器靜電聚結改造前后水出口含油量對比情況如圖5所示，可以看出，由于二級分離器的處理液量和來流含水率變化幅度非常大，對于未進行靜電聚結改造的分離器A，其水出口含油在63～181 mg/L范圍內波動；而進行了靜電聚結改造后的分離器B，其水出口含油量得到大幅改善，水出口含油穩定維持在15～55 mg/L。可見，在油水混相區建立電場，可以對混相區復雜的油水乳化層進行破乳，加速油滴的上浮和水滴的下沉，從而提高分離效率。

圖5 PUQB平臺二級分離器A、B水出口含油量對比

2.3 靜電聚結模塊斷電測試

為了進一步驗證靜電聚結模塊的作用，于2019年5月1日對PUQB平臺二級分離器B靜電聚結模塊進行了斷電測試，斷電前后分離器油水處理效果變化如圖6、7所示。可以看出，斷電前分離器正常工作條件下，油出口含水率在1%以下波動，水出口含油量在43 mg/L以下波動；斷電后分離器的油出口含水量和水出口含油量均立刻顯著上升。當水出口含油接近250 mg/L、油出口含水接近2.5%時，現場為了避免水出口含油繼續上升，對下游生產水處理系統造成影響，終止了斷電實驗，重新對油水界面進行調整，保證水出口含油在一個比較合理的范圍內。為了避免影響現場生產流程的穩定運行，雖然靜電聚結模塊的斷電實驗沒有開展很長時間，但是也充分呈現了斷電后分離器處理效果立刻變差的趨勢，證明了靜電聚結模塊對提高油水處理效果的顯著作用。

圖6 靜電聚結模塊斷電前后PUQB平臺二級分離器B油出口含水率變化

圖7 靜電聚結模塊斷電前后PUQB平臺二級分離器B水出口含油量變化

3 結論

某海上油田PUQB平臺分離器處理液溫度為72 ℃，處理液量5 000～9 000 m3/d，入口含水率為10%～62%，對該平臺二級分離器B進行靜電聚結改造后，分離器油出口含水率可以達到1%以下，水出口含油量可以穩定維持在15～55 mg/L。而該平臺并聯運行未進行靜電聚結改造的二級分離器A的操作工況與分離器B一致，但是油出口含水率為3%～36%，水出口含油量在63～181 mg/L范圍內波動。靜電聚結模塊進行斷電后，該平臺二級分離器B的處理效果立刻變差，再次證明了靜電聚結模塊強化油水分離的作用。現場應用效果及斷電測試結果對比表明，海上油田平臺二級分離器經過靜電聚結改造后，靜電聚結模塊可以適應高含水工況，分離器的油水分離效果得到了大幅提升；靜電聚結技術可以大幅提高脫水效果，支持現役平臺提產改造，具有推廣應用價值。