原油靜電聚結(jié)脫水效果現(xiàn)場應用驗證

張 明，王春升，尚 超，平朝春，鄭曉鵬，王海燕

（中海油研究總院有限責任公司，北京 100028）

0 引言

海上平臺組塊重量控制是深水油田降本增效開發(fā)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)重力沉降油水分離設(shè)備尺寸和重量都較大，研發(fā)緊湊高效原油處理設(shè)備來減少平臺空間占用具有重要意義。尤其對于深水浮式平臺，降低組塊重量、節(jié)省開發(fā)成本，已經(jīng)成為迫切需要解決的問題。

原油處理過程中，原油和水的乳化作用較為嚴重，傳統(tǒng)分離技術(shù)主要依靠重力沉降開展油和水的分離，因此分離設(shè)備的體積和重量都比較大。重力沉降原油脫水過程中，水滴的沉降速度符合Stokes 定律。油水兩相密度差、黏度、粒徑等因素都會直接影響水滴沉降的速度。分散相水滴在電場的作用下會產(chǎn)生聚結(jié)作用，利用電場的作用就可以大大減少沉降分離需要的時間。傳統(tǒng)的電脫水分離器中已經(jīng)考慮引入了電場脫水技術(shù)，并且得到了廣泛的應用和很好的驗證。但是傳統(tǒng)電脫水分離器中使用的是金屬裸電極，金屬裸電極在高含水原油中會發(fā)生電極短路，不能正常工作。《原油電脫水設(shè)計規(guī)范》[1]中推薦進入電脫水器的原油水含量不宜大于30%。本文介紹的新型原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)創(chuàng)新性采用的是絕緣電極。通過絕緣電極來施加電場，就可以適應高含水的原油脫水條件。在原油脫水過程中充分發(fā)揮出電場的作用，從而大幅降低原油脫水設(shè)備的尺寸和重量，最終對海上平臺的降本增效具有重要意義。

國外對于靜電聚結(jié)器的研究工作開展的比較早，英國Bradford大學Bailes 教授課題組對外報道研發(fā)靜電破乳器，可以適應含水率在65%以上原油的脫水工況[2]。Bailes教授在高壓脈沖DC 電場下針對W/O 型原油乳化液開展了相關(guān)研究，研究結(jié)果表明在高壓脈沖DC 電場下含水率50%的原油乳化液可以得到很好的處理效果。挪威科技大學（NTNU）、ABB 研究中心與SINTEF 合作，發(fā)明了內(nèi)置式的靜電聚結(jié)器（Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC）[3]。2003 年，VIEC技術(shù)在國外的TrollC 采油平臺的三相分離器中安裝并進行了使用[4]。Aible 公司發(fā)明了能適應150 ℃高溫環(huán)境的VIEC 設(shè)備[5]。Vetco Aibel 公司研制了測試分離器，該分離器的處理能力為39.7 m3/h，通過對靜電聚結(jié)模塊組件通電，實驗結(jié)果證明可使分離效率由27%提高至97%[6-7]。

國內(nèi)也有學者開展了相關(guān)研究工作，陳家慶等[8]發(fā)明了介電泳破乳機理的新型原油電脫水設(shè)備，電極組件為其核心部件，開發(fā)了表面覆蓋絕緣層的波紋板狀電極結(jié)構(gòu)。張龍、熊豪等針對容器內(nèi)置板式絕緣電極開展了大量研究工作[9-10]。何利民等[11]發(fā)明了高效靜電聚結(jié)器，電極為筒狀電極，外包裹致密絕緣層，由于筒狀電極間距小，施加電壓后可以產(chǎn)生高強的電場，實現(xiàn)了油水的快速分離。

1 分離器靜電聚結(jié)改造

本項目試驗所在平臺的原油油品屬于中質(zhì)油，密度為870 kg/m3（20 ℃）。在已有設(shè)備中，油氣水首先通過氣液旋流分離器進行氣液分離，再進入平臺的二級分離器進一步三相分離，旋流分離器的氣相出口與二級分離器的氣相出口相連接，液相直接進入二級分離器，進一步進行油水分離。原有的二級分離器內(nèi)部是傳統(tǒng)單堰板形式的三相分離器結(jié)構(gòu)（圖1），分離器內(nèi)部空間被堰板分隔成混合室和油室，混合室的作用是進行油水分離重力沉降，脫水后含水率比較低的原油通過堰板上部溢流至油室，隨后通過出口送到下游的處理流程進一步處理。二級分離器一共有2 臺，并聯(lián)運行，分為分離器A 和分離器B，分離器的尺寸參數(shù)為3.6 m（ID）×10 m（T/T）。現(xiàn)場正常運行工況，分離器的操作溫度72～73 ℃，操作壓力為320 kPa。由于上游平臺經(jīng)常進行各種調(diào)整作業(yè)，井口參數(shù)和工況的波動比較大，單臺二級分離器的處理液量變化范圍約5000～9000 m3/d。通過查找原設(shè)計資料，該分離器的原設(shè)計最大處理液量為5984 m3/d。

圖1 PUQB 平臺現(xiàn)有二級分離器

本次改造工作通過在二級分離器B 罐體內(nèi)部增加靜電聚結(jié)組件而完成，改造的目的是在常規(guī)的分離器內(nèi)部增加電場聚結(jié)破乳功能。通過電場的加入，可以提高油水分離效率。靜電聚結(jié)組件使用的是4 層電極結(jié)構(gòu)，上下每2 層分為一組。2 組不同的電極之間能夠?qū)崿F(xiàn)獨立的控制，這樣能夠根據(jù)分離器實際的油水界位高度變化來進行調(diào)節(jié)。電極重點布置在油相區(qū)以及油水界面乳化層的高度，從而發(fā)揮電場的破乳作用加快水滴聚結(jié)，進一步提高油水分離效率。

2 應用效果與分析

2.1 未投用靜電聚結(jié)時分離器處理效果

在原設(shè)計中平臺二級分離器A、B 并聯(lián)運行，設(shè)備調(diào)試完成后，為了進一步驗證該技術(shù)在高處理量下的處理效果，停用二級分離器A，全部處理液量進入經(jīng)過靜電聚結(jié)改造的二級分離器B 進行處理。共承擔處理油量9800 m3/d，水量約3300～3700 m3/d，換算液相停留時間為7.5～8.5 min。運行溫度75 ℃，操作壓力約340 kPaG，為了對比靜電聚結(jié)電極通電前后的處理效果。首先在沒有通電的工況下對二級分離器B 進行處理效果的記錄（表1、圖2）。

圖2 未投用靜電聚結(jié)時分離器處理效果

從表1 可以看出，未投用靜電聚結(jié)時，分離器入口含水率在30%～38%，平均為34.7%；處理后含水在8%～12%，平均為10.8%。僅靠重力沉降，未投用靜電聚結(jié)時平均脫水率約為68.9%。排水含油約59×10-6～70×10-6。

表1 二級分離器B 未投用靜電聚結(jié)時處理效果

2.2 投用靜電聚結(jié)時分離器處理效果

保持同樣的處理量和操作工況，對靜電聚結(jié)組塊上下極板通電，運行穩(wěn)定后，獲得的處理效果記錄如表2、圖3 所示。分離器進油量約9800 m3/d，進水量為3400～3700 m3/d，換算液相停留時間為7.3～8.0 min。運行溫度75 ℃，操作壓力約320 kPaG。分離器入口原油含水率在34%～40%（均值37%），在上下2 層極板電場共同作用下，出口含水率在1%～3%（均值1.6%），平均脫水率約95.7%。水出口含油為56×10-6～74×10-6，同重力沉降工況近似。

表2 二級分離器B 投用靜電聚結(jié)后處理效果

圖3 投用靜電聚結(jié)時分離器處理效果

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在二級分離器B 入口原油含水35%工況下，靜電聚結(jié)脫水技術(shù)使二級分離器B 出口原油含水從15%（通電前）降低至2%（通電后），很好的證明了靜電聚結(jié)技術(shù)對原油脫水效率的促進作用。同時在運行測試過程中，停用了并列運行二級分離器A，使靜電聚結(jié)改造后的二級分離器處理量翻倍，處理液量達到13 500 m3/d，在入口原油含水37%工況下，出口原油含水仍然保持在3%以內(nèi)。

3 結(jié)論

對某油田海上平臺分離器進行了靜電聚結(jié)改造。為驗證靜電聚結(jié)技術(shù)的脫水效果，開展了靜電聚結(jié)組塊通電和不通電工況下的分離器處理效果對比。分離器操作溫度75 ℃，共承擔處理油量9800 m3/d，處理水量為3300～3700 m3/d，換算液相停留時間為7.5～8.5 min。未投用靜電聚結(jié)時，分離器入口含水率在30%～38%，平均為34.7%；處理后含水在8%～12%，平均為10.8%。僅靠重力沉降，未投用靜電聚結(jié)時平均脫水率約為68.9%。排水含油約59×10-6～70×10-6。保持同樣的處理量和操作工況，對靜電聚結(jié)組塊上下極板通電，分離器入口原油含水率在34%～40%之間（均值37%），在上下兩層極板電場共同作用下，出口含水率在1%～3%（均值1.6%），平均脫水率約95.7%，脫水率得到大幅升高。水出口含油為56×10-6～74×10-6，同重力沉降工況近似。本文通過油田現(xiàn)場實際應用驗證了靜電聚結(jié)技術(shù)可以大幅提高原油脫水效率。靜電聚結(jié)高效原油脫水技術(shù)可以支持現(xiàn)役平臺分離器的提產(chǎn)改造，也可為新平臺分離器設(shè)計尺寸減小、降本增效提供有力的支持。