一種新型的實(shí)驗(yàn)室用老化油電脫水裝置

牛俊邦，王建軍，曾雄飛

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電學(xué)院，山東 東營(yíng) 257100；2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）機(jī)電裝備教學(xué)實(shí)習(xí)總廠，山東 東營(yíng) 257061；3.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 烏魯木齊 830013）

0 引言

隨著油田開(kāi)發(fā)的深人,各種化學(xué)增油措施已占據(jù)了采油技術(shù)的很大分量，雖然提高了油氣產(chǎn)量，但同時(shí)也使得油氣處理難度逐漸增大：即老化原油處理難度大已成為制約著集輸技術(shù)進(jìn)步的瓶頸[1]。文獻(xiàn)[2]則給出了老化油的定義：廣義上講，老化油就是現(xiàn)有技術(shù)手段難以處理的原油。

近十年時(shí)間過(guò)去了，油田老化油的處理問(wèn)題仍未得到很好解決。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為：老化油就是現(xiàn)有技術(shù)手段難以處理的原油，其中乳狀液成分復(fù)雜含有許多導(dǎo)電性較強(qiáng)的黏土和FeS等機(jī)械雜質(zhì)。因此，老化油的處理也就成了迫在眉睫需要解決的生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題[4]。這里所說(shuō)的處理就是對(duì)老化油進(jìn)行脫水、去渣。

本文研制了一種矩形波交流原油電脫水裝置，對(duì)來(lái)自勝利、大慶、吉林、新疆、江漢油田等單位不同種類的老化油在實(shí)驗(yàn)室范圍內(nèi)進(jìn)行了電脫水實(shí)驗(yàn)，具有脫水質(zhì)量高，脫水速度快，脫水成本低的效果。該裝置放大后可用于油田現(xiàn)場(chǎng)的老化油處理。

1 實(shí)驗(yàn)室用矩形波交流原油電脫水裝置簡(jiǎn)介

矩形波交流脈沖電脫水裝置由電源控制柜、防爆型寬頻帶高壓變壓器、脫水電極共三部分組成。

1.1 電源控制柜

首先把交流220V的電網(wǎng)電壓經(jīng)全橋整流后變成直流，再把該直流經(jīng)斬波電路變成20～150V連續(xù)可調(diào)的直流；該連續(xù)可調(diào)的直流經(jīng)全橋逆變電路轉(zhuǎn)換成交流矩形波電壓輸出，且電壓的幅值、頻率、脈寬連續(xù)可調(diào)，電源基本參數(shù)如下：

電源供電電壓：?jiǎn)蜗嘟涣?20V/50Hz

最大輸出功率：800W

最大輸出電流：10A

輸出峰值電壓：20～100V連續(xù)可調(diào)

脈寬比調(diào)節(jié)范圍：20%～85%連續(xù)可調(diào)

頻率調(diào)節(jié)范圍：400Hz～5kHz連續(xù)可調(diào)

效率：＞90%

外型尺寸： 600×470×780

重量：25kg

如圖1所示，脈寬比定義為：

圖1 矩形波波形圖Fig.1 Rectangular waveform graph

1.2 防爆型寬頻帶高壓變壓器

本文專門(mén)的矩形波交流電源控制柜配套研制的防爆型寬頻帶高壓變壓器，本質(zhì)上也是一種大功率的寬頻帶變壓器，基本參數(shù)如下：

輸入電壓波形：?jiǎn)蜗嗑匦尾ń涣?/p>

輸入電壓幅值：20～220V

輸入電壓最大脈寬：85%

原邊最大工作電流：15A

輸出電壓：2～10kV

工作頻率范圍：400～5000Hz

最大輸出功率：≥2kW

效率：η≥85%

外型尺寸： 550×450×750

重量：100kg

寬頻帶高壓變壓器的研制中，如何有效降低分布電容的影響是其制作的關(guān)鍵。 普通降壓變壓器,基本上不用考慮分布電容的影響,只要盡量把漏感降低到一定值即可。高頻高壓變壓器則有其特殊要求，次級(jí)繞組多、電壓高,漏感和分布電容對(duì)其性能有決定性影響，不但要求盡可能減小漏感，還要求盡可能減小分布電容的數(shù)值。

分布電容主要是指繞組層與層之間、匝與匝之間、繞組與磁芯之間所組成等效電容的總和。降低分布電容的一個(gè)有效方法就是減小繞組匝數(shù)以及增加層間距和匝間距。減小匝數(shù)與升壓變壓器要求有較高的變比存在矛盾，這里的變比指的是副邊匝數(shù)與原邊匝數(shù)的比值；增加繞組的層、匝間距會(huì)使得變壓器的漏感提高。解決這些矛盾的一個(gè)有效辦法就是增加變壓器磁心的橫截面積以及選用高磁通密度材料，再考慮到絕緣強(qiáng)度、爬電距離、安全距離的要求，其結(jié)果就使得這種寬頻帶高壓變壓器的體積與重量，比相同功率的普通變壓器大得多。

1.3 密閉式脫水電極

實(shí)驗(yàn)室中的原油電脫水裝置分為靜、動(dòng)態(tài)兩種類型。針對(duì)靜態(tài)型，本文研制了一種專門(mén)處理老化油的密閉式脫水電極。

如圖2所示，不銹鋼壓力釜與密封蓋由螺栓緊固在一起就形成了一個(gè)密閉式結(jié)構(gòu)，原油乳化液從上面的開(kāi)口倒入；之后插入內(nèi)電極，由螺紋蓋把內(nèi)電極壓緊。內(nèi)電極由聚四氟乙烯空心桿內(nèi)含導(dǎo)電銅棒。不銹鋼壓力釜的容積最小為1.2L，最大的為20L，接地后可直接作為外電極，也可在壓力釜內(nèi)懸掛一個(gè)網(wǎng)狀的金屬套筒作外電極。

壓力釜的底部裝有放液閥，其外圍安裝加熱瓦、溫度傳感器。密封蓋的上部安裝有放氣閥和壓力傳感器，分別連接壓力控制器和壓力表。

圖2 密閉式脫水電極示意圖Fig.2 Schematic diagram of closed type dewatering electrode

該脫水電極在密閉狀態(tài)下進(jìn)行通電脫水，可以實(shí)現(xiàn)油樣的加熱和脫水時(shí)溫度恒定；其耐壓可達(dá)1Mpa，加熱溫度從室溫到150℃連續(xù)可控。

實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用結(jié)果表明，這種密閉式脫水電極，對(duì)各種類型的老化油以及難處理的原油乳化液進(jìn)行脫水處理都會(huì)得到良好的應(yīng)用效果。

但對(duì)于另外一種的老化油：大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含有微固體顆粒的老化油非常頑固，這類老化油一般含水都大于10%，含有微量的輕組分，并同時(shí)含有較多的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)；下面給出來(lái)自江漢油田的這種老化油電脫水實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

2 老化油脫水實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)前首先用蒸餾法進(jìn)行原始油樣含水率的標(biāo)定，連續(xù)進(jìn)行3次，結(jié)果如表1所示，含水率的平均值為14.2%。

表1 原始含水率測(cè)定數(shù)據(jù)Tab.1 The original water content

然后取1000mL的含水老化油，利用額定容積1200mL的密閉式脫水電極進(jìn)行電脫水，電壓4500V，電流0.9A，頻率3800Hz，加熱溫度80℃，通電時(shí)間50分鐘，不用任何破乳劑。

之后，斷開(kāi)電源，約20分鐘后自然冷卻到50℃，打開(kāi)下面的放液閥，放到1000mL的玻璃杯中。再靜置10分鐘后，就能看到玻璃杯中分成了3層，如圖3所示：最底層為黑色沉淀物，中層為透明的水，上層為脫水后的原油。

圖3 電脫水后的老化油Fig.3 Oil electric dehydration after aging

用不同的加熱溫度重復(fù)上述的電脫過(guò)程，對(duì)玻璃杯中上層脫水后的原油用蒸餾法測(cè)定含水率，結(jié)果如表2。

當(dāng)加熱溫度低于70℃時(shí)，透明的水層逐漸變薄直至消失，這時(shí)玻璃杯中的油可分為兩層，含水小于0.5%的上層和高含水的下層。

表2 不同加熱溫度下的脫水效果Tab.2 The dehydration effect under the different heating temperature

圖4 黑色沉淀物透射電鏡照片F(xiàn)ig.4 The black precipitate the TEM photographs

用透射電鏡觀察最底層的黑色沉淀物，放大3萬(wàn)倍的照片見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，粉末粒子的粒徑在10μm以下，以納米級(jí)粒子居多。

3 結(jié)論

（1）矩形波交流原油脫水電源電場(chǎng)由零開(kāi)始瞬間躍變到極大值，使水珠中的正、負(fù)離子得到最大限度的加速，對(duì)乳化膜形成最為強(qiáng)烈的沖擊；破乳能力強(qiáng)，更適合油田難處理原油的電脫水。

（2）老化油中以微固體顆粒為核心，由瀝青質(zhì)、膠制質(zhì)組成的膠團(tuán)懸浮在原油乳化液中，阻止小水珠的下沉，是老化油難處理的根本原因。

（3）矩形波交流電源的躍變電場(chǎng)所產(chǎn)生的振蕩效應(yīng)，能把老化油中的膠團(tuán)與水珠的結(jié)合面切割分離，從而實(shí)現(xiàn)油水快速分離的目的。

[1]高海軍，周敬偉，張自清.高效破乳技術(shù)在老化油處理中的應(yīng)用[J].工業(yè)計(jì)量,2003（增刊）.

[2]衡英杰，潘永梅，袁國(guó)英.油田開(kāi)發(fā)后期老化油的構(gòu)成及現(xiàn)場(chǎng)處理效果分析[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2005，6.

[3]尚飛飛，廖克儉，王洪國(guó).遼河油田稠油及老化油物性分析[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào).2011，5.

[4]楊忠平，王憲中，田喜軍.吉林油田聯(lián)合站老化原油成因與脫水方法研究[J].油田化學(xué)，2010，3.