海上油田原油靜電聚結高效脫水技術研究

陳景峰，李 輝，叢培征，楊曉波，孫延國

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300452)

0 引 言

傳統的海上油田原油脫水通常采用“三相分離器+電脫水器”處理工藝，整個流程占地面積大、脫水效率低、能耗高、工作不夠穩定，含水量高時易發生垮電場現象。為此，科研人員提出先對油水乳化液進行靜電聚結，使油中水顆粒聚結變大，然后通過重力沉降進行脫水，并根據這種原理研制了靜電聚結設備。目前，隨著海上高含水油田、邊際油田、深水油田和綠色開發的不斷發展，對原油處理設備有了更加嚴格的使用標準，并朝著小尺寸、低重量的趨勢變化。為了滿足這些需求，同時能夠更好地處理高含水原油，本文對靜電聚結高效脫水技術進行分析，闡述靜電聚結原理以及該技術的試驗和應用結果，并對該技術進行詳細的介紹。

1 原油靜電聚結高效脫水技術原理

靜電聚結脫水技術是通過電場對原油的作用破壞原油的乳化液、加速水顆粒的聚結速度，從而提高脫水效率和對乳化原油的處理能力。水顆粒在均勻交變電場下的靜電聚集機理主要包括偶極聚結和震蕩聚結。對于不帶電荷的中性水顆粒而言，其會受電場感應而形成誘導偶極，每個誘導偶極兩端帶等量的異性電荷。當2個誘導偶極非常靠近時，若其相鄰端帶相反電荷就會相互吸引而發生偶極聚結。與此同時，每個誘導偶極兩端因受方向相反、大小相等的 2個吸引力作用而被拉長成橢球體，雖然并不發生宏

觀位移，但在交變電場作用下反復的伸縮震蕩仍會使得水顆粒表面乳化膜的強度被削弱，最終發生所謂的震蕩聚結。對于帶電荷的極性水顆粒而言，會受到相反極性電極的引力而向其移動靠近，在均勻交流電場中這種往復移動只能在一個很小的范圍內發生，在小范圍內促進水顆粒之間的碰撞和聚結，在油水分離之后水會通過重力作用而發生沉降，以此達到分離效果。作為分散相，水顆粒在連續的油相之中的沉降速度設為Vw，根據Stokes定律可以得到：

式中：g為重力加速度；dw是分散相水顆粒的粒徑；ρ0和ρw分別是油相和水相的密度；μ0和μw分別是油相和水相的動力黏度[1]。

從上述公式可以得到，油和水之間產生分離動力的主要原因就是兩者之間存在一定的密度差異，分散介質的黏度則提供了一定的沉降阻力。油和水在分離過程中水的沉降速度和水的粒徑平方值具有正相關關系，可以說水顆粒的大小將直接影響到其沉降速度。當水顆粒較小時(一般是微米級)其沉降速度很小，只依靠重力將很難在短時間內沉降。在這種情況下，如果能夠施加一個電場，分散相水顆粒則會因為電場的作用而產生一定的偶極力等電場作用力，導致水顆粒相互接觸并結合，粒徑也由此增大，從而加快其沉降速度。當然，因為在高含水的原油中加入電場很容易導致短路的情況，所以還需要設置一定的絕 緣層[2]。

2 室內試驗結果

2.1 不同電壓下的試驗結果

在環境溫度為80℃的條件下，對含水量為40%的原油乳化液進行試驗，施加400～2800V的電場20min，觀察在該范圍內電壓的作用下其靜電聚結脫水效果，如圖1所示。可以發現電壓升高后原油的乳化液含水量大大降低。在電壓達到800V以上后原油乳化液脫水率達到了82%；在電壓達到2800V以上后原油乳化液脫水率達到了91%。因為水自身的極性，所以其能夠在電場中發生多類聚結。在交流電場中，水主要發生偶極聚結和震蕩聚結。在電壓升高之后，水顆粒將具有更大的凝聚力和沉降速度，但是在2000V左右再繼續增大電壓，水顆粒的大小和沉降速度將不再改變，此時粒徑和速度達到最大。該試驗結果具有一般性，不同的電場強度對水滴凝結程度的影響一致[3]。

圖1 脫水效果和加入電壓的關系 Fig.1 Relationship between dehydration effect and input voltage

2.2 不同含水量的試驗結果

在上述相同的環境溫度和電場作用時間下，以2000℃為試驗電壓對含水量為20%～60%的原油乳化液進行試驗(試驗含水量梯度以10%遞增)。結果如圖2所示。

圖2 脫水效果與含水量的關系曲線 Fig.2 Relation curve between dehydration effect and water content

通過曲線可以得到，該技術對20%～60%含水量的乳化液有著非常好的脫水效果，其脫水率在80%以上。而在相同條件下，原油乳化液含水量增加后其脫水率會降低。

2.3 不同水力停留時間的試驗結果

試驗條件與上述一致，采用2000V電壓和40%含水量的原油乳化液，設置水力停留時間為4～40min，分析該時間范圍內的聚結脫水效果，如圖3所示。

圖3 脫水效果與水力停留的關系曲線 Fig.3 Relation curve between dehydration effect and residence time

通過曲線可以發現，在水力停留時間增加的情況下，40%乳化液的含水量不斷降低，脫水率在增加到一定程度后變緩。水力停留時間為10min左右時脫水率就可以達到80%。

3 某油田稠油室內試驗結果

該稠油油田內含水原油含水量52%，為高黏原油。取60g乳狀液對其進行室內試驗(脫水效果與電壓的關系、脫水效果與溫度的關系和脫水效果與水力停留的關系)，試驗結果如下。

①脫水效果與電壓的關系。溫度為15℃，預熱時間15min，通電40min。可以發現在溫度和水力停留時間不變的情況下，電壓升高時該原油乳化液的脫水量也在不斷增加，脫水率持續升高。在電壓達到2500V左右時脫水效果達到最高，剩余水的占比降至22%以下。

②脫水效果與溫度的關系。在電壓2500V、通電時間40min的試驗條件下，如果水顆粒的沉降僅僅依靠重力，溫度升高后并不會引發脫水效果的增加。溫度范圍在80～120℃時，在1h內沉降效果并不佳；溫度為140℃時，1h內僅有少量的水分析出；而通電之后，其脫水量則大幅增加[4]。

③脫水效果與水力停留時間的關系。溫度為 90℃，在2500V電壓下通電40min，可以發現在該試驗條件下，水力停留時間延長后，試驗樣品的含水量降低速度較快，脫水率較高，而持續增加水力停留時間后其脫水率增速將放緩。

根據上述3個現場試驗結果可以得出，通過原油靜電聚結脫水技術來脫水的原油將獲得較好的脫水效果，脫水率也很高，比常規處理的脫水技術更加 優越。

3.1 某油田混合油樣試驗結果

對某油田輕質油和中質油2∶1混合油進行電脫水試驗，重點研究電脫水溫度、電場場強和加電時間對脫水率的影響，觀察并記錄使脫水后原油含水率達到＜0.5%時所用的時間。電脫水試驗的原油含水率分別為5%、10%、15%、20%、25%、30%。

①脫水試驗目的：檢測電脫水溫度、電場場強和加電時間對脫水率的影響。電脫水溫度分別為50、60、70℃；電脫水沉降時間對脫水率的影響，時間范圍為5、10、15、20min。

①脫水試驗結果：對某油田原油5%～30%乳化含水油進行電脫水試驗，在50～70℃(試驗點間隔為10℃)分別在0.6、0.8、1.1kV/cm 3種場強電場作用下進行電化學脫水試驗，不同乳化油含水率隨加電時間的變化率情況見表1～3。

表1 某油田輕質油∶中質油＝2∶1在50℃電脫數據 Tab.1 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 50℃

表2 某油田輕質油∶中質油＝2∶1在60℃電脫數據 Tab.2 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 60℃

續表2

表3 某油田輕質油∶中質油＝2∶1在70℃電脫數據 Tab.3 Electric stripping test data of light oil∶medium oil＝2∶1 at 70℃

②電脫水試驗結論：在50℃下，15%～30%含水油在0.6kV/cm 場強下加電10～20min，原油含水率均＜0.5%；5%～30%含水油在0.8～1.1kV/cm場強下加電5～20min，原油含水率基本＜0.5%；在60℃下，5%～30%含水油在0.6kV/cm 場強下加電10～20min，原油含水率達標，在0.8～1.1kV/cm場強下加電5～15min，原油含水率均＜0.5%；在70℃下，5%～30%含水油在0.6kV/cm 場強下加電5～20min原油含水率達標，在0.8～1.1kV/cm 場強下加電5～15min，原油含水率均＜0.5%。

3.2 現場應用研究

3.2.1 相關設備

在某油田現場進行試驗，采用的靜電聚結設備如圖4所示。

圖4 試驗裝置結構圖 Fig.4 Device diagram

該設備的最大處理量可達40m3/h。實際試驗過程中進入該設備的樣品將從測試分離器進料口引出，其各項參數與三相分離器基本一致。將三相分離器和電脫水器的試驗結果進行對比，以此來考察該脫水技術的實際應用效果。

3.2.2 測試結果

設置水力停留時間為40min，2個設備的水力停留時間相同，由此考察電壓對于原油乳化液脫水的實際效果。

從圖5可以看出，在靜電場作用后可以大幅降低原油的含水量，三相分離器的測試結果遠不如測試分離器。在電壓提升到8kV后，可以發現其脫水效率提高的幅度并不大，但是繼續升高后脫水效果將明顯升高。結果表明即使原油的含水量在88%～96%之間，通過該方法也可以有效地將含水量降低至2%及以下，這就體現了靜電聚結高效脫水技術的優越性。

圖5 脫水效果與電壓的關系曲線 Fig.5 Relation curve between dehydration effect and voltage

水力停留時間為10min，僅為三相分離器的1/4，原油脫水后含水率降到了8%以下，而自由水分離器脫水后的含水率則在50%左右。另外，在相同的脫水能力下，靜電聚結高效脫水技術設備尺寸和質量要遠遠小于三相分離器。

原油靜電聚結高效脫水技術通過絕緣電極來進行水顆粒的聚集過程，通過電場來加速油和水的分離，一方面加大了水的聚集和沉降速度，另一方面也避免了因電流過大而導致短路的情況。而以脫水效果來看，其脫水能力明顯高于同等級體量的三相分離器。綜上所述，該技術對于原油高含水的情況有著非常好的處理能力和適應性[5]。

4 結 語

本文探討了關于原油靜電聚結高效脫水技術的相關原理，總結了室內試驗、現場室內試驗和現場應用3方面的試驗結果。此次試驗研究證明了靜電聚結技術應用于油田現場的可行性，為這些技術應用于油品性質不同的油田積累了經驗，對目前國內油田中較難分離的稠油采出液和聚合物驅采出液的脫水處理也有參考價值。可以說，該技術有著非常好的水分離效果，同時還兼具小體積和低重量的優勢，是未來海上油田稠油脫水處理的重要技術基礎。■