遼河油田高凝油三元驅(qū)采出液高頻脈沖電脫水實(shí)驗(yàn)研究

林 琳

（中油遼河工程有限公司）

在油田開(kāi)采過(guò)程中，往往需要對(duì)采出原油進(jìn)行嚴(yán)格的脫水處理后才能外輸和加工［1］。 常用的原油脫水技術(shù)包括化學(xué)法、重力沉降法、離心分離法、超聲波法、熱處理法及電脫水法等［2～5］。 其中，重力沉降法設(shè)備簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、多用于原油脫水預(yù)處理；電脫水法處理量大、效率高，能將原油含水率降至0.5%以下，滿足原油外輸要求。

原油經(jīng)由重力沉降預(yù)脫水之后，再由電脫水技術(shù)將其含水率降至0.5%以下，這是我國(guó)應(yīng)用廣泛的原油脫水工藝流程。 然而，隨著我國(guó)原油重劣質(zhì)化問(wèn)題的日益嚴(yán)重，該工藝組合難以滿足要求，存在脫水效率低、設(shè)備易短路等問(wèn)題［6，7］。遼河油田高凝油三元驅(qū)采出液成分復(fù)雜、乳化程度大幅增加， 常規(guī)原油脫水技術(shù)已不能滿足需求，必須使用更為高效的電脫水技術(shù)。

脈沖電脫水由英國(guó)Bradford 大學(xué)的Bailes 教授于1981 年率先提出， 后逐漸發(fā)展成為高壓高頻脈沖電脫水技術(shù)，它具有振蕩聚結(jié)、偶極聚結(jié)、強(qiáng)場(chǎng)沖擊和水鏈聚結(jié)過(guò)程的疊加效應(yīng)，能提高脫水效果，并且可降低垮電場(chǎng)、短路等問(wèn)題的發(fā)生率［8～11］。 但有研究表明：若高頻脈沖電場(chǎng)參數(shù)選擇不當(dāng)，可能出現(xiàn)電分散、過(guò)度極化等不利于油水分離的現(xiàn)象［12～17］。為此，筆者將高壓高頻脈沖電脫水技術(shù)用于遼河油田高凝油三元驅(qū)采出液的脫水過(guò)程， 探究在不同的藥劑組合下電場(chǎng)參數(shù)、操作溫度和電脫時(shí)間對(duì)采出液電脫后油中含水率和切水含油濃度的影響規(guī)律，為我國(guó)重劣質(zhì)原油高頻脈沖靜電脫水新工藝和新技術(shù)的開(kāi)發(fā)提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在實(shí)驗(yàn)室中模擬遼河油田高凝油三元驅(qū)采出液重力沉降和高壓高頻脈沖電脫水過(guò)程。

實(shí)驗(yàn)用物性測(cè)量?jī)x器有NDJ-55 型黏度計(jì)、SY-05 型石油密度計(jì)、PCM-1A 型介電常數(shù)儀和CM-11 型電導(dǎo)率儀， 所測(cè)的高凝油物性參數(shù)如下：

溫度 60℃

黏度 25mPa·s

密度 842kg/m3

相對(duì)介電常數(shù) 1.54

電導(dǎo)率 0.24nS/m

將現(xiàn)場(chǎng)油樣和現(xiàn)場(chǎng)水樣在高速剪切乳化機(jī)3 000r/min 轉(zhuǎn)速下乳化5min，配制成含水率70%左右的高含水乳狀液，加入不同組合的藥劑充分混合，進(jìn)行熱化學(xué)沉降（60℃），沉降時(shí)間和沉降后上層乳狀液的含水率見(jiàn)表1。

表1 熱化學(xué)沉降參數(shù)

取熱化學(xué)沉降后的上層油樣， 加入濃度為60mg/L 的破乳劑充分?jǐn)嚢杌旌虾螅诟邏焊哳l脈沖電場(chǎng)下進(jìn)行電脫水處理，并測(cè)量脫后上層油樣的含水率和脫后切水含油濃度（含水率由XYHS-500X6 原油含水率快速測(cè)定儀測(cè)量，切水含油濃度由紫外分光光度計(jì)測(cè)量）。 高頻脈沖電脫水實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示， 包括高頻脈沖電源、DTS-4C密閉脫水儀及變壓器等。 其中，高頻脈沖電源由中國(guó)石油大學(xué)（華東）研制，電壓幅值、頻率和脈寬比連續(xù)可調(diào)；DTS-4C 密閉電脫水儀的電極由柱狀絕緣內(nèi)電極和螺旋狀外電極組成，同時(shí)該脫水儀還兼具溫控功能。

圖1 高頻脈沖電脫水實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 電壓幅值的影響

實(shí)驗(yàn)條件為電場(chǎng)頻率4kHz、脈寬比0.5、電脫溫度70℃和電脫時(shí)間30min， 不同聚合物濃度的乳狀液脫后含水率和切水含油濃度隨電壓幅值的變化曲線如圖2、3 所示， 隨電壓幅值的增大，乳狀液脫后含水率和切水含油濃度均降低，其緣故為水滴間偶極聚結(jié)力增加且聚并速率加快；當(dāng)電壓幅值由5kV 增至6kV 時(shí)，脫后含水率和切水含油濃度略有浮動(dòng)，這是由于電壓較高時(shí)，一是會(huì)增大油相中水滴間的偶極聚結(jié)力，二是可能導(dǎo)致過(guò)度極化和電分散現(xiàn)象，水滴在強(qiáng)電場(chǎng)作用下受拉伸作用而破碎成細(xì)小水滴，從而降低油水分離效果。

圖2 乳狀液脫后含水率隨電壓幅值變化曲線

圖3 乳狀液切水含油濃度隨電壓幅值變化曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：相同的電壓幅值下，聚合物濃度為100mg/L 時(shí)乳狀液的電脫效果好于300mg/L 時(shí)的電脫效果，結(jié)合表1 數(shù)據(jù)可知，這是由于表面活性劑濃度升高造成乳狀液乳化程度加劇，增大了油水分離難度；電壓幅值在5～6kV時(shí)，兩組樣品的脫后含水率均低于0.5%、切水含油濃度均在1 000mg/L 以下，滿足脫水要求。

2.2 電場(chǎng)頻率的影響

實(shí)驗(yàn)條件為電壓幅值5kV、脈寬比0.5、電脫溫度70℃和電脫時(shí)間30min， 不同聚合物濃度的乳狀液脫后含水率和切水含油濃度隨電場(chǎng)頻率的變化曲線如圖4、5 所示。 由圖4 可知，乳狀液脫后含水率隨著電場(chǎng)頻率的增加先快速降低后緩慢降低， 頻率4kHz 時(shí)其脫后含水率均達(dá)到0.5%以下，5kHz 時(shí)其脫后含水率最低；相同電場(chǎng)頻率下，聚合物濃度300mg/L 時(shí)乳狀液的脫后含水率總體高于100mg/L 時(shí)的脫后含水率。 由圖5可知，電脫時(shí)乳狀液的切水含油濃度總體上隨著電場(chǎng)頻率的升高先快速降低后緩慢降低，相同電場(chǎng)頻率下，切水含油濃度隨著聚合物濃度的升高而降低。

圖4 乳狀液脫后含水率隨電場(chǎng)頻率變化曲線

圖5 乳狀液切水含油濃度隨電場(chǎng)頻率變化曲線

在高頻脈沖電場(chǎng)中， 由于乳狀液呈容性負(fù)載，隨電場(chǎng)頻率的增大，實(shí)際作用于乳狀液的電場(chǎng)強(qiáng)度隨之增大，水滴間偶極聚結(jié)力增加，靜電破乳效果提升。 實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，提高脈沖電場(chǎng)頻率值有利于增強(qiáng)高凝油三元驅(qū)采出液脫水效果，但在滿足脫水要求（含水率小于0.5%）時(shí)，為節(jié)省能源，可優(yōu)先選擇較低頻率值（4kHz）。

2.3 脈寬比的影響

圖6 乳狀液脫后含水率隨脈寬比變化曲線

實(shí)驗(yàn)條件為電壓幅值5kV、 電場(chǎng)頻率4kHz、電脫溫度70℃和電脫時(shí)間30min， 不同聚合物濃度的乳狀液脫后含水率和切水含油濃度隨脈寬比的變化曲線如圖6、7 所示。 由圖6 可知，乳狀液脫后含水率隨著脈寬比的增加呈現(xiàn)先大幅降低后略微升高的趨勢(shì)， 脈寬比為0.6 時(shí)，300mg/L聚合物濃度乳狀液的脫后含水率升至0.5%以上，脈寬比為0.7 時(shí)，100mg/L 聚合物濃度乳狀液的脫后含水率升至0.5%以上；相同脈寬比下，300mg/L 聚合物濃度乳狀液的脫后含水率總體上高于100mg/L 的脫后含水率。 由圖7 可知，電脫時(shí)乳狀液的切水含油濃度隨脈寬比的升高也是先大幅降低后略微升高，相同脈寬比下，切水含油濃度隨著聚合物濃度的升高而降低。

圖7 乳狀液切水含油濃度隨脈寬比變化曲線

實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)脈寬比由0.3 增至0.5 時(shí)，作用于乳狀液的電場(chǎng)能增加， 靜電破乳效果提升；脈寬比繼續(xù)增大至0.7， 形成的水鏈不能及時(shí)消散，易出現(xiàn)電分散、過(guò)度極化等現(xiàn)象，靜電破乳效果反而降低。 另外，兩組樣品的脫后含水率均低于0.5%，滿足脫水要求。

2.4 電脫溫度的影響

圖8 乳狀液脫后含水率隨電脫溫度變化曲線

實(shí)驗(yàn)條件為電壓幅值5kV、 電場(chǎng)頻率4kHz、脈寬比0.5 和電脫時(shí)間10min， 電脫溫度對(duì)乳狀液的脫水效果的影響如圖8、9 所示：乳狀液脫后含水率和切水含油濃度隨著電脫溫度的增加逐漸減小，而且隨著溫度的升高減小的幅度逐漸變?。?溫度達(dá)到80℃時(shí)其脫后含水率可降至0.5%以下，切水含油濃度降至1 000mg/L 左右。其原因在于：其一，溫度升高降低了油相的黏度和密度，油相黏度的降低減小了水滴在沉降過(guò)程所受的黏滯阻力，油相密度的降低增大了油水兩相密度差，增大了水滴沉降的動(dòng)力；其二，溫度升高提高了水滴的熱動(dòng)能， 降低了油水乳狀液的熱穩(wěn)定性。

圖9 乳狀液脫后切水含油濃度隨電脫溫度變化曲線

2.5 電脫時(shí)間的影響

電壓幅值5kV、 電場(chǎng)頻率4kHz、 脈寬比0.5且在不同電脫溫度下，聚合物濃度300mg/L 的乳狀液脫后含水率和切水含油濃度隨電脫時(shí)間的變化曲線如圖10、11 所示：乳狀液脫后含水率隨電脫時(shí)間的增加先快速減小后趨于穩(wěn)定；乳狀液分別在90℃用時(shí)10min、80℃用時(shí)20min 和70℃用時(shí)30min 的條件下脫后含水率均可達(dá)0.5%以下；電脫時(shí)，乳狀液切水含油濃度在前10min 內(nèi)快速降低，而后隨著電脫時(shí)間的增加小幅降低。

圖10 不同電脫溫度下乳狀液脫后含水率隨電脫時(shí)間變化曲線

圖11 不同電脫溫度下乳狀液脫后切水含油濃度隨電脫時(shí)間變化曲線

在高凝油采出液中，水相以不同粒徑的水滴形式存在，粒徑越大的水滴沉降速度越快，且越容易聚并。 電脫初期，主要是以大粒徑水滴的聚并和分離為主；電脫后期，乳狀液中主要剩余間距較大的小粒徑水滴，沉降速度變慢，且水滴間偶極聚結(jié)力小，水滴較難脫除，加之乳狀液中水滴含量較少，即便繼續(xù)增加電脫時(shí)間，也很難再降低乳狀液的含水率。 由于工業(yè)生產(chǎn)中電脫時(shí)間的增加主要依靠增大電脫罐有效容積或降低乳狀液處理量來(lái)實(shí)現(xiàn)， 因此應(yīng)恰當(dāng)?shù)剡x擇電脫時(shí)間，以保證電脫效果且與經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一。

3 結(jié)論

3.1 在電脫頻率4～5kHz、脈寬比0.5、電壓幅值5～6kV、電脫溫度70℃、電脫時(shí)間30min 的實(shí)驗(yàn)條件下，兩組不同聚合物濃度的高凝油三元驅(qū)采出液樣品的脫后含水率均低于0.5%，切水含油濃度總體低于1 000mg/L，滿足脫水要求。

3.2 聚合物濃度300mg/L 乳狀液脫后含水率、切水含油濃度隨著電脫溫度的升高減小的幅度逐漸變??；當(dāng)電脫時(shí)間設(shè)定10min，電脫溫度80℃時(shí)該乳狀液脫后含水率可降至0.5%以下，切水含油濃度降至1 000mg/L 左右。

3.3 聚合物濃度300mg/L 乳狀液脫后含水率隨電脫時(shí)間的增加先快速減小后趨于穩(wěn)定；該乳狀液分別在90℃用時(shí)10min、80℃用時(shí)20min 和70℃用時(shí)30min 的條件下脫后含水率均可達(dá)0.5%以下；電脫時(shí)，該乳狀液切水含油濃度在前10min 內(nèi)快速降低， 而后隨著電脫時(shí)間的增加小幅降低。