稠油高壓高頻電脫水技術(shù)試驗(yàn)研究

張旭 楊劍

1中油遼河工程有限公司

2中國石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測研究院

稠油脫水是原油初加工過程中非常重要的工藝流程。對(duì)于油品密度相對(duì)較高、氣油比低的老油田，稠油脫水普遍采用傳統(tǒng)的兩段熱化學(xué)沉降脫水工藝，脫水原理為化學(xué)藥劑破乳+重力沉降脫水。這種脫水技術(shù)需要大罐作為稠油脫水的載體，其工藝流程簡單，脫水效果較好，運(yùn)行穩(wěn)定，抗沖擊能力強(qiáng)，適宜油田工況不穩(wěn)定的生產(chǎn)條件。但該脫水工藝存在脫水時(shí)間長、占地面積大、加藥量大、熱能消耗高等問題[1]。近年來，各油田對(duì)稠油脫水新工藝、新技術(shù)進(jìn)行探索，遼河油田也開展了高壓高頻電脫水技術(shù)試驗(yàn)研究。

1 稠油脫水工藝現(xiàn)狀

以某聯(lián)合站三區(qū)火驅(qū)稠油為例，原油密度（20 ℃）為932 kg/m3，50 ℃和70 ℃時(shí) 黏 度分別為372～560 和72～117 mPa·s，脫水工藝流程采用二段熱化學(xué)沉降脫水工藝，對(duì)該區(qū)原油脫水運(yùn)行的工況及能耗點(diǎn)進(jìn)行分析。稠油進(jìn)站溫度為50～60 ℃，經(jīng)加熱爐加熱至72 ℃，進(jìn)入一級(jí)沉降罐，經(jīng)2 d 脫水后原油含水率12%；進(jìn)入二級(jí)沉降罐脫水，沉降時(shí)間為2～3 d，原油含水率≤1.5%，合格外輸。三區(qū)處理液量為2 442 m3/d，油量為863 m3/d，該運(yùn)行工況下實(shí)際耗電量為574 kWh/d，耗氣量為4 596 m3/d，加藥劑量為0.258 t/d，運(yùn)行成本為10 700 元/d，其中天然氣耗費(fèi)占總體成本費(fèi)用的76.4%。為降低原油脫水成本，在該區(qū)開展高壓高頻電脫水技術(shù)中試試驗(yàn)，并對(duì)其試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

2 高壓高頻電脫水技術(shù)試驗(yàn)

2.1 脫水原理

高壓高頻電脫水工藝中的電破乳原理為：原油乳狀液中的水滴受電場力的作用，使其油水界面膜發(fā)生破裂，水滴從原油乳狀液中分離出來，進(jìn)而形成水鏈，最后完成水滴聚結(jié)。與傳統(tǒng)電脫水工藝相比，處理高含水原油時(shí)的電場采用高頻脈沖電場，將正弦電波整流成脈沖電波，從而避免了因含水率過高而形成水鏈導(dǎo)致電場被擊穿的問題[2]。影響電場的主要參數(shù)為場強(qiáng)、頻率、占空比。場強(qiáng)是影響水滴變形的主要因素，場強(qiáng)越大則水滴界面膜越易破裂；頻率越高則水滴在場強(qiáng)中的運(yùn)動(dòng)越劇烈，當(dāng)電場頻率與水滴頻率相同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水滴與油滴快速分離；占空比越短則場強(qiáng)作用的時(shí)間越短，反之，占空比越長則場強(qiáng)時(shí)間越長，場強(qiáng)作用時(shí)間的長短決定了高含水原油在形成水鏈的過程中發(fā)生電極板短路概率的大小[3]。

2.2 脫水試驗(yàn)流程及試驗(yàn)參數(shù)

以三區(qū)原油為試驗(yàn)介質(zhì)，開展高壓高頻電脫水技術(shù)現(xiàn)場中試試驗(yàn)。工藝試驗(yàn)流程見圖1。

圖1 高壓高頻電脫水工藝試驗(yàn)流程圖Fig.1 Test flow of high voltage and high frequency electric dehydration process

三區(qū)進(jìn)液量為10 m3/h，一段脫水溫度為50～60 ℃，一段平均脫水時(shí)間2 h，二段脫水溫度70～90 ℃，平均進(jìn)口含水率≤11%，二段平均脫水時(shí)間4 h。一段電脫水器電場參數(shù)設(shè)定[4]：電壓≤1 000 V，頻率6 000 Hz，占空比為10%。二段電脫水器電場參數(shù)設(shè)定：電壓≤2 000 V，頻率8 000 Hz，占空比為30%。2019年對(duì)該套工藝流程參數(shù)進(jìn)行3個(gè)月的數(shù)據(jù)監(jiān)測，考察各參數(shù)指標(biāo)并分析整理相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.3 脫水試驗(yàn)數(shù)據(jù)

一段原油進(jìn)口含水率為50%～90%，平均含水率為72.5%時(shí)，一段原油出口含水率6%～12%，原油含水率變化見圖2；二段原油進(jìn)口含水率為6%～12%時(shí)，原油出口含水率≤1.5%，原油含水率變化見圖3。

圖2 一段原油進(jìn)出口含水率變化曲線Fig.2 Water content changing curve of first stage crude oil intet and outlet

圖3 二段原油進(jìn)出口含水率變化曲線Fig.3 Water content changing curve of second stage crude oil inlet and outlet

一段原油脫水溫度在50～68℃之間，原油溫度變化見圖4；二段原油脫水溫度在75～80 ℃之間，原油溫度變化見圖5。

圖4 一段原油脫水溫度變化曲線Fig.4 Temperature changing curve of first stage crude oil dehydration

圖5 二段原油脫水溫度變化曲線Fig.5 Temperature changing curve of second stage crude oil dehydration

一段污水含油濃度≤1 000 mg/L，懸浮物濃度≤350 mg/L，水質(zhì)指標(biāo)變化曲線見圖6；二段電脫水器污水含油濃度≤600 mg/L，懸浮物濃度≤300 mg/L，水質(zhì)指標(biāo)變化曲線見圖7。

圖6 一段污水指標(biāo)變化曲線Fig.6 Changing curve of first stage sewage index

圖7 二段污水指標(biāo)變化曲線Fig.7 Changing curve of second stage sewage index

2.4 脫水技術(shù)分析

以電場破乳聚結(jié)基本原理為依托，通過調(diào)整電場主要參數(shù)來改進(jìn)原有的電脫水技術(shù)，形成新型高壓高頻電脫水處理工藝技術(shù)。新型電脫水技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

（1）擴(kuò)大原油電脫水技術(shù)處理油品含水率的應(yīng)用界限。原有電脫水方法只適用于處理油包水型乳狀液，其含水率小于30%[5]，新型高壓高頻電脫水工藝可處理水包油型乳狀液，且所處理的原油含水率可達(dá)95%。為了克服高壓電極板擊穿現(xiàn)象，采用電壓控制系統(tǒng)監(jiān)測電極板間的電流，當(dāng)電流超過設(shè)定值時(shí)，PLC控制系統(tǒng)對(duì)電壓值進(jìn)行調(diào)整直至滿足電極板不擊穿條件，從而保護(hù)電極板。

（2）擴(kuò)大處理介質(zhì)黏度的應(yīng)用范圍。原有處理介質(zhì)黏度為操作溫度下運(yùn)動(dòng)黏度，宜低于50 mm2/s[5]，而三區(qū)原油運(yùn)動(dòng)黏度在400～600 mm2/s。

（3）改進(jìn)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在裝置底部增加電極板聚結(jié)功能。依據(jù)新型高壓高頻電脫水的技術(shù)原理，在原有電破乳功能的基礎(chǔ)上，增加電聚結(jié)技術(shù)，通過兩種技術(shù)的結(jié)合，可使水滴聚并時(shí)間縮短，從而達(dá)到高效脫水的目的。

（4）整合電脫水器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用分區(qū)設(shè)置。將脫水裝置分為三個(gè)區(qū)域，即低壓高頻區(qū)、高壓低頻區(qū)、電聚結(jié)區(qū)域[6]。低壓高頻區(qū)主要處理水包油型乳狀液，高壓低頻區(qū)主要處理油包水型乳狀液，在電聚結(jié)區(qū)域?qū)⒌蛪焊哳l區(qū)、高壓低頻區(qū)破乳后的小水滴水鏈聚結(jié)形成大水滴，從而達(dá)到油水分離的目的。

（5）根據(jù)原油乳狀液含水率的不同，將新型高壓高頻電脫水裝置分成兩種裝置，即一段電脫水裝置和二段電脫水裝置。

（6）優(yōu)化原油脫水工藝參數(shù)。聯(lián)合站稠油一段脫水溫度平均降低25 ℃，一段脫水時(shí)間由30 h 降低至2～2.5 h，二段脫水時(shí)間由48 h降低至4 h，該套工藝流程無需加藥。

3 結(jié)論

通過對(duì)稠油脫水工藝進(jìn)行探索，遼河油田在兩段高壓高頻電脫水工藝處理高含水稠油中取得了較好的試驗(yàn)效果。該工藝實(shí)現(xiàn)稠油全密閉脫水，且采用一段不加熱，二段少加熱、全程不加藥脫水方法，大大降低了原油處理的運(yùn)行成本。試驗(yàn)脫水運(yùn)行參數(shù)為：原油進(jìn)口含水率為50%～90%，一段脫水溫度為50～60 ℃時(shí)，一段原油出口含水率為6%～12%；二段脫水溫度為75～80 ℃時(shí)，原油出口含水率≤1.5%，污水含油濃度≤1 000 mg/L，懸浮物≤350 mg/L。與傳統(tǒng)兩段熱化學(xué)沉降脫水工藝相比，原工藝運(yùn)行成本為4.36 元/t，而兩段電脫水工藝噸液運(yùn)行成本為1.63 元/t，運(yùn)行成本降幅較大。該項(xiàng)技術(shù)可在節(jié)能降耗的同時(shí)提高脫水效率、密閉率，降低油品呼吸損耗，減少大罐更新改造等投資，有很大的發(fā)展空間及利用價(jià)值。