塔河油田酸化油高頻脈沖電脫水實驗研究及現場應用

張倩 趙毅 周勇 李琰磊

1中國石化西北油田分公司采油二廠

2中國石化西北油田分公司工程技術研究院

3中國石油新疆油田公司風城油田作業區

近年來，隨著塔河油田生產規模的不斷擴大，單井措施、大型酸壓工藝不斷增多，加之各類采油助劑的規模應用，產生大量的酸化油、老化油，早期直接進入聯合站處理系統，對原油處理系統造成較大的沖擊。2014 年，出于優化成本、安全環保角度考慮，西北油田分公司采油二廠實施了二號聯酸化油處理系統改造，將二號聯3#罐、6#罐、首站1#罐改造為酸化油/老化油處理流程，替代了TK1210、T7-444 污油處理站和TK620 卸油站。酸化油、老化油不再進入聯合站系統，有效地保障了原油處理的平穩運行。

二號聯酸化油處理系統采用熱化學重力沉降脫水工藝，其主要依靠高溫、高濃度藥劑和長時間沉降。二號聯酸化油處理系統在2014 年改造之后取得了巨大的安全、環保和經濟效益，但是由于處理工藝相對簡單，占用資源較大，系統仍然存在很大的優化空間。與常規原油處理相比，現有酸化油處理工藝所需的沉降時間為20～30天，效率低，在措施井集中開井的情況下會存在壓庫情況，影響生產。現有酸化油處理工藝的破乳劑加藥濃度為1 000 mg/L，是常規原油破乳劑加量的5 倍，噸油處理消耗藥劑成本較高。現有酸化油處理工藝占用二號聯3#罐、6#罐和首站1#罐，共計罐容3.5×104m3，日處理噸油占用罐容130 m3，比常規原油處理的占用罐容（6～7 m3）高出20 倍左右。儲罐利用率不高，導致聯合站原油儲備能力降低，抗風險能力削弱。由于現有酸化油處理工藝所需的沉降時間長、脫水溫度高，需要單獨建立熱媒油系統為其加熱，成本較高。

針對二號聯目前采用的酸化油處理工藝存在的優化潛力，為提高處理效率、降低成本費用，開展了一系列技術研發和實驗研究，提出了以高頻脈沖原油脫水器為核心的酸化油脫水新技術。高頻脈沖原油脫水器是新一代油田采出液油、氣、水一體化分離處理設備，該設備集成了脈沖破乳、電磁聚結脈沖脫水等技術，具有處理效率高、能耗低、適應范圍廣、性能穩定的特點[1-5]。首先在室內評價了脈沖電脫水對塔河酸化油的適應性，并優選實驗條件，然后開展了現場工業試驗。

1 實驗

1.1 原料和儀器

原料和儀器包括塔河油田酸化油、老化油等，電脫水儀，電子分析天平，蒸餾法水含量分析儀。DTS 型電脫水儀由勝利油田勝利化工有限責任公司提供，由矩形波脈沖脫水電源、變壓器和靜態脫水儀組成（圖1）。

圖1 高頻脈沖電脫水裝置示意圖Fig.1 High frequency pulse electric dehydration device

1.2 實驗方法

將一定含水率的酸化油或者老化油加入到電脫水儀器中，加熱到實驗溫度，設置電壓、頻率、脈寬比等參數，開啟電源開始電脫水。脫水完成后打開排空閥，防止氣流在釜體內攪動，然后從釜體底部放出游離水及部分原油，再取中間位置原油分析其含水率。

2 結果與討論

與交流、直流和交-直流電脫水不同，高壓高頻脈沖電脫水存在電壓幅值、電場頻率和脈沖寬度比三個重要的電場參數，這些參數對電脫水的效率及能耗有顯著的影響[6]。另外考察了溫度和停留時間等操作參數對電脫水的影響。

2.1 電壓對含水率的影響

電場頻率為16 kHz，脈寬比為70%，溫度為現場溫度80 ℃，停留時間為5 h，考察了電壓對脫水效果的影響，實驗結果如圖2所示。

圖2 電壓對酸化油脫水效果的影響曲線Fig.2 Effect curve of voltage on dehydration of acid oil

由圖2可知，隨著脫水電壓的增加原油含水率先降低后增加，當電壓為1 300 V 時含水率最低。隨著電壓的增大，脫水器內電極之間的電場強度隨之升高，水滴之間的極化作用增強，水滴之間碰撞的概率增加，酸化油更加容易破乳，含水率降低。然而當電壓超過一個臨界值之后，隨著電壓的繼續增加，酸化油中已經凝聚好的水滴在電場作用下，被逐漸拉伸變長、變細，水滴極點處的界面張力不能抵抗靜電拉應力，水滴又分散成若干個小水滴，就會發生電分散現象，增加水滴在酸化油中的分散程度，破乳變得更加困難，含水率也隨之增加。可見，在一定范圍內提高靜態脫水器的電壓，可增強分散相水滴的極化引力，提高脫水效率；當脫水電壓過高時會發生過度極化及電分散現象，反而會降低乳狀液的脫水效果[7]。當電壓在1 300 V時，塔河酸化油脫水效果最好，因此，后續實驗選在脫水電壓為1 300 V。

2.2 頻率對含水率的影響

電壓為1 300 V，脈寬比為70%，溫度為現場溫度80 ℃，停留時間為5 h，考察了頻率對脫水效果的影響，實驗結果如圖3所示。

由圖3 可知，當電場頻率由12 kHz 上升至22 kHz 時，靜態脫水器的脫水效率呈現出先增大、后減小的趨勢，電場頻率為16 kHz 時脫水效果最好。在高頻電場的電場力作用下，水滴會發生極化和振動現象。當電場的頻率過高，脈沖周期小于水滴極化的響應時間，水滴不能較好地吸收電場極化的能量，從而導致破乳效率降低，能量利用率降低。相反，如果電場頻率太低，容易導致電分散現象。只有當水滴與電場發生共振時，此時水滴的極化效果最好，變形程度和振幅達到最大，乳狀液的破乳效果最好。

圖3 電場頻率對含水率的影響曲線Fig.3 Effect curve of electric field frequency on water content

2.3 脈寬比對含水率的影響

電壓為1 300 V，電場頻率為16 kHz，溫度為現場溫度80 ℃，停留時間為5 h，考察了脈寬比對脫水效果的影響，實驗結果如圖4所示。

圖4 脈寬比對脫水率的影響曲線Fig.4 Effect curve of pulse width ratio on dehydration rate

所謂脈寬比就是指單個脈沖所持續的時間與脈沖周期的比值[6，8]。通常情況下脈寬比也存在一個最優值。如圖4所示，隨著脈寬比的增加，含水率先是降低再升高，破乳效率先增加再降低，當脈寬比為70%達到最佳。

當脈寬比太小時，脈沖持續時間太短，作用于油水乳狀液的電場能過低，水滴極化電荷沒有足夠的時間轉向、極化，水滴的靜電極化作用極弱，水滴靜電聚并速率極低，乳狀液的靜態電脫水效率最低。隨脈寬比的增加，作用于乳狀液的電場能增加，水滴靜電極化效果提升。當脈寬比過大時，水滴雖然能夠吸收足夠的能量，但部分電場能經水鏈泄漏，脫水效果有所降低，而且容易產生電分散現象，甚至發生電脫水器內電極間擊穿、跨電場現象，因此，存在一個最佳的脈寬比。

2.4 溫度對含水率的影響

電壓為1 300 V，電場頻率為16 kHz，脈寬比為70%，停留時間為5 h，考察了溫度對脫水效果的影響，實驗結果如圖5所示。

圖5 溫度對含水率的影響曲線Fig.5 Effect curve of temperature on water content

由圖5 可以看出，隨著溫度的升高，油樣含水率不斷降低。這是因為隨著溫度的升高，原油的黏度降低，塔河原油屬于超稠油，溫度的升高使得黏度、油水界面膜的強度大幅降低，水滴受電場極化作用更容易聚并，而且水滴受到的內摩擦和運動阻力也會大幅減小；隨著溫度的升高，原油密度也會降低，增加了油水密度差，也加速了水滴的沉降速率[9]。當溫度從70 ℃升高到120 ℃時，原油含水率從0.77%下降到0.12%，都低于1%的外輸要求，經綜合考慮，確定實驗溫度為80 ℃，完全可以滿足現場要求。

2.5 停留時間對含水率的影響

電壓為1 300 V，電場頻率設置為16 kHz，脈寬比為70%，溫度為現場溫度80 ℃，考察了停留時間對脫水效果的影響，實驗結果如圖6所示。

圖6 停留時間對含水率的影響曲線Fig.6 Effect curve of standing time on water content

由圖6可知，隨著停留時間的增加，酸化油中的含水率隨之降低。隨停留時間的增加，油水乳狀液在高壓高頻脈沖電場下的作用時間增加，作用于分散相水滴的電場能增大，水滴的靜電極化和碰撞聚并效應更為明顯，乳狀液的破乳脫水效果更佳[10]。當停留時間超過2 h 以后，原油含水率降低到1%以下，4 h以后含水率已經降低到0.3%，再繼續延長停留時間，含水率降低幅度較小。因此，選擇停留時間為3 h，完全滿足現場需要。

2.6 對不同油的適應性

上述研究表明，脈沖電脫水對塔河酸化油具有較好的脫水效果。接下來考察高頻脈沖電脫水對塔河油田酸化油、老化油、污油等的脫水效果。

由表1可知，高頻脈沖電脫水對塔河油田酸化油、老化油、污油都具有較好的脫水效果。經過高頻脈沖電脫水之后，含水率都降低到1%以下，說明高頻脈沖電脫水對不同的酸化油、老化油都具有較好的普適性，而且即便原油含水率達到70%以上，仍然具有較好的脫水效果。

表1 不同地點油樣脫水實驗數據Tab.1 Experimental data of oil sample dehydration at different locations

3 現場試驗

新型脈沖原油脫水器工業試驗裝置于2017 年11 月在二號聯合站現場開始安裝并進行配套流程建設，設計處理量為0.5～1.0 m3/h，12 月中旬開始進行現場工業試驗，12 月30 日現場工業試驗結束。在工業試驗過程中，為了評價新型脈沖原油脫水器的處理效果，分別采用7-3卸油站酸化油、二號聯合站老污油池老化油，以及酸化油和老化油等比例混合三種試驗模式對處理效果進行分析，相關數據見表2、表3及表4。

現場試驗表明，高頻脈沖電脫水對塔河油田酸化油、老化油都具有較好的脫水效果，經過高頻脈沖電脫水之后，平均含水率都能達到0.5%以下，具有良好的破乳脫水效果。

表2 單獨處理7-3卸油站酸化油工業試驗數據Tab.2 Industrial test data of acid oil treated separately by 7-3 unloading station

表3 單獨處理老污油池老化油工業試驗數據Tab.3 Industrial test data of aging oil treated separately by old dirty oil pools

表4 7-3卸油站酸化油與老污油池老化油等比例混合試驗數據Tab.4 Mixing test data of equivalent proportion of acid oil from 7-3 Unloading Station and ageing oil from old dirty oil pools

高頻脈沖電脫水裝置在現場連續運行12 天，電氣、儀表控制系統和全套裝置未發生異常和故障，設備運行穩定可靠。高頻脈沖電脫水技術效果的主要影響因素是運行負荷和處理溫度。當處理液量超出1.0 m3/h 時，脫水后原油含水率不能完全保證達標；該裝置合適的工作溫度在75 ℃左右，當溫度超過90 ℃時會產生大量氣泡，嚴重影響設備的油水分離效果，當溫度過低時油品黏度增加，脫水效果相應變差。

高頻脈沖電脫水技術節能效果顯著，工業試驗時處理量0.5 m3/h，運行功率為0.87 kW左右，處理噸液電耗為1.74 kWh。由于一次脫水合格，省去了6#罐、首站1#罐利用余熱蒸汽加熱的費用27.18元/t，與目前現場熱化學重力沉降脫水工藝相對，效率大幅提高。

4 結論

通過對塔河酸化油進行高頻脈沖電脫水室內實驗及現場工業試驗的研究得出以下結論：

（1）經室內實驗優化得到塔河酸化油高頻脈沖電脫水最佳工藝參數為：電壓1 300 V，頻率16 kHz，脈寬比70%。

（2）高頻脈沖電脫水對酸化油、老化油的處理效果較為突出，裝置在設計處理量以內運行能有效地將其含水率降低至1%以下，且來液量、含水率波動對脫水效果影響不大。

新型脈沖原油脫水器安全環保，在處理酸化油、老化油時不需額外添加化學藥劑，處理后的污水直接進入污水處理系統，脫水過程中也不產生任何廢棄物，可以在塔河油田推廣使用。