原油脫水方法綜述

陳思奇 張嘉興 李欣洋

摘 要：目前，隨著油田不斷的深化開采，我國的大部分油田都已經(jīng)進(jìn)入了中后期，國內(nèi)各油田為了提高采收率，通常采用注水與三次采油的開發(fā)方式。注水使采出液含水率不斷上升，而高含水原油對(duì)生產(chǎn)及運(yùn)輸均有很大的危害。簡(jiǎn)要介紹了原油含水對(duì)生產(chǎn)的影響及原油中水的存在類型，并綜述了目前常用的原油脫水方法，分為物理方法，如重力沉降脫水、旋流分離脫水；化學(xué)方法，如加入破乳劑；電脫水方式及幾種新型脫水方式，如超聲波法、微波輻射法、生物法等，提出了國內(nèi)今后的原油脫水技術(shù)的發(fā)展方向。

關(guān) 鍵 詞：原油；生物法；脫水；高效率

中圖分類號(hào)：TE 624 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1671-0460（2016）08-1860-04

Abstract： Now， with the continuous deepening of oil field exploitation， most of our oil fields have entered the middle and late stages. In order to improve oil recovery， water injection methods and tertiary oil recovery are always used in oil fields. Water injection methods enhance the moisture content of crude oil. High water cut in crude oil has a great influence on the production and transportation. In this article， the impact of water in crude oil on the production was described as well as types of water in crude oil， and current crude oil dehydration common methods were introduced， such as physical methods including gravity settling dewatering， dewatering cyclone separator； chemical methods including adding demulsifier； electric dehydration and several new methods， including electrical pulse dehydration， ultrasonic dehydration， microwave radiation dehydration， biological method. The development direction of crude oil dehydration technology was also proposed.

Key words： crude oil； biological method； dehydration； high efficiency

1 原油中水的存在形式及原油含水對(duì)生產(chǎn)的影響

水主要以3種形式存在于原油中，包括游離水、乳化水和溶解水。（1）游離水，常溫下用簡(jiǎn)單的沉降法短時(shí)間內(nèi)就能從油中分離出來，在油中呈懸浮狀態(tài)。（2）乳化水，與原油的混合物稱為油水乳狀液。乳狀液是一種或幾種液體以液珠形式分散在另一不相溶的溶液之中構(gòu)成的分散體系[1]。油水乳狀液主要有兩種類型：一類是油分散在水中，簡(jiǎn)稱水包油型乳狀液，用O/W表示；另一類是水分散在油中，簡(jiǎn)稱油包水型乳狀液，用W/O表示。油田中的含水原油主要以第二種狀態(tài)存在，在對(duì)脫水方法的研究中，也主要是對(duì)該種形式的乳化液破乳問題進(jìn)行的，這種乳化水須采用特殊的方式才能將其除去。（3）溶解水，水以分子的形態(tài)在烴類化合物分子間存在，呈現(xiàn)出均相的狀態(tài)。

目前有的油田的含水率已高達(dá)90%以上，原油含水后產(chǎn)生了較大影響，主要是含水后的原油物理性質(zhì)發(fā)生了變化，由于原油在開采時(shí)水須連同油一起采出，這樣使管道和設(shè)備的利用率降低；當(dāng)形成“油包水”型的乳化液時(shí)，原油的粘度較純油來說明顯增加，再加上水的比重較原油大，增加了原油運(yùn)輸時(shí)的摩擦阻力；在原油處理過程中，對(duì)原油進(jìn)行加熱使其升溫時(shí)，由于水的比熱相對(duì)原油更大，這樣就使燃料的消耗量增加；由于地層中的水有一定的礦化度，所以其中的碳酸鹽會(huì)在管道和設(shè)備的內(nèi)壁集聚，造成鹽垢，堵塞管道，同時(shí)在硫化物較多的情況下，水的存在會(huì)使腐蝕不斷進(jìn)行，損壞設(shè)備穿孔與金屬管道；對(duì)于煉廠加工，由于水的存在，會(huì)使塔內(nèi)氣流線速度增加，甚至出現(xiàn)沖塔現(xiàn)象，影響所獲得蒸餾產(chǎn)品質(zhì)量等。總之，為了確保煉油廠和油田的開發(fā)安全正常運(yùn)行，必須對(duì)原油進(jìn)行脫水處理。目前，原油脫水方法主要包括：重力沉降脫水、旋流分離脫水、熱化學(xué)脫水、電脫水等[2]。近年來，以生物法和微波輻射法為代表的新型原油脫水方法正逐漸引起人們的關(guān)注，并進(jìn)行國內(nèi)工程化應(yīng)用的研究，相信在未來這些技術(shù)將會(huì)改變以往的原油脫水方式。

2 原油脫水方法

2.1 沉降分離

沉降脫水是依靠油水密度差，在密度差作用下產(chǎn)生的下部水層水洗、上部原油水滴的沉降，在這兩種方式共同作用下使油水分離。該種方式主要用于脫除油田現(xiàn)場(chǎng)開采出的原油或高含水原油脫水前的處理。這種方式經(jīng)常需要的設(shè)備有沉降罐和游離水脫除器。采用該種方式，進(jìn)罐油水混合物一般無需加熱，節(jié)省燃料；罐內(nèi)無運(yùn)動(dòng)部件，操作簡(jiǎn)單，自控水平要求低；原油體積和密度變化小，輕組分損失少。但是若采用該種方式，則消耗時(shí)間較長(zhǎng)且效率低，并且不適用于汽油比大、含水率低及油水密度差小的原油脫水。

為了提高油水的分離速度，人們發(fā)現(xiàn)和采用增大水珠粒徑、擴(kuò)大水、油密度差、降低原油粘度等一系列的措施和方法，例如向原油中加入輕質(zhì)油、給水中添加無毒無害物質(zhì)，加大水密度、對(duì)原油乳狀液加熱，提高脫水效率。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，當(dāng)原油通過加熱沉降器處理后，隨著溫度從65℃增加到110℃，使含水率由20%降低到10%，解決了低含水率原油脫水的難題。

2.2 旋流分離

旋流分離是依靠流體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的方式進(jìn)行油水分離，用離心力代替重力沉降。該種方式相對(duì)于沉降式脫水，提高了分離速度與效果，降低了分離時(shí)間。常用的離心式油水分離設(shè)備是水力旋流器及沉降式離心機(jī)等類似設(shè)備。旋流器由入口段、收縮段、分離段和出口段四個(gè)回轉(zhuǎn)體通過順序連接的方式形成的。對(duì)于液-液水力旋流器，混合液體進(jìn)入旋流器后會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生靜應(yīng)力，在這個(gè)力的作用下流體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，隨著旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行會(huì)使分離的物料形成規(guī)律性的空間分布，最后再通過一種經(jīng)過設(shè)計(jì)的特殊結(jié)構(gòu)，完成液體的分離。

在實(shí)際應(yīng)用中，離心沉降收到了很好的效果。蓬萊19-3油田Ⅱ期[4]，采用了離心機(jī)進(jìn)行原油脫水，取得了十分好的效果，對(duì)于含水體積小于1%的原油，離心機(jī)也可以將原油處理達(dá)標(biāo)。遼河油田碟片式離心機(jī)進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用離心分離的技術(shù)能夠解決脫水難的問題，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)6個(gè)月現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，分離后的原油含水率均低于5%，表明通過離心機(jī)對(duì)原油脫水處理是十分有效的。但離心機(jī)同樣存在著價(jià)格高結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)，并且國內(nèi)還未有較成熟的成產(chǎn)廠家，需依賴進(jìn)口，存在供貨困難的問題。

2.3 化學(xué)破乳

化學(xué)破乳法是目前國內(nèi)油田普遍采用的一種破乳手段。即向油水乳狀液中添加一種化學(xué)助劑，促使油與水分層，這種試劑常為表面活性劑或兩親結(jié)構(gòu)的超分子表面活性劑，稱這種化學(xué)助劑為破乳劑[5]?；瘜W(xué)破乳的機(jī)理是由于破乳劑具有更高的活性，因此會(huì)替換或吸附在原有的油水界面上，形成強(qiáng)度更低的界面膜，最終導(dǎo)致膜破裂，將包裹在膜內(nèi)的乳化水釋放出來，通過聚結(jié)使小水滴不斷形成更大的水滴，在重力作用下沉降到底部，實(shí)現(xiàn)油水分離。

目前國內(nèi)油田常使用的非離子型破乳劑包括AR系列破乳劑、AP系列破乳劑、AE系列破乳劑和SP系列破乳劑。在成產(chǎn)實(shí)際中，經(jīng)常根據(jù)實(shí)際情況用幾種活性劑復(fù)配進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而提高破乳劑的效率、提高破乳效果。但目前破乳劑在使用過程中仍然存在著許多問題[6]，例如破乳劑的破乳效果不明顯，在國內(nèi)破乳劑的用量高、適應(yīng)性差等。因此筆者認(rèn)為，現(xiàn)在迫切需要研制一種成本低、脫水效率高、無污染、無腐蝕作用的破乳劑，這是未來破乳劑研發(fā)的基本方向。

2.4 電破乳

原油的電脫水一般是在靜電場(chǎng)力和化學(xué)破乳作用下實(shí)現(xiàn)的破乳過程。該方式主要是在高壓電場(chǎng)作用下，小水滴通過聚結(jié)形成大水滴，利用油水密度差，使原油中的水沉降分離。用于破乳的高壓電場(chǎng)有交流電、直流電和交-直流電等。在電脫水過程中主要有三種聚結(jié)方式，包括偶極聚結(jié)、振蕩聚結(jié)和電泳聚結(jié)。其中振蕩聚結(jié)和偶極聚結(jié)發(fā)生在交流電場(chǎng)中；偶極聚結(jié)和電泳聚結(jié)發(fā)生在直流電場(chǎng)中，但電泳聚結(jié)起主要作用[7]；三種方式都存在于交-直流電場(chǎng)中。相對(duì)于化學(xué)破乳方式，電破乳能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的連續(xù)操作，但是由于油的介電常數(shù)和電導(dǎo)小于水，因此對(duì)水包油型的乳狀液不能夠采用這種方式。

在20世紀(jì)80年代前，我國對(duì)于電脫水技術(shù)就已經(jīng)開始進(jìn)行了研發(fā)，早在80年代初期，在我國的工業(yè)生產(chǎn)中，已經(jīng)使用了比較常規(guī)的電脫水技術(shù)，例如交流電脫水技術(shù)。目前，國內(nèi)外使用的脫水裝置主要包括以下四種：交直流電脫水、高速電脫水、超聲波強(qiáng)化電脫水、脈沖電脫水技術(shù)[8]。雖然我國電脫水的技術(shù)相對(duì)較成熟，但仍然存在電壓高、不適用于稠油、操作復(fù)雜等缺陷。

2.5 超聲波法脫水

超聲波破乳是強(qiáng)化原油破乳脫水的一種十分有效的方法，該種方式主要利用超聲波的特性，包括它的機(jī)械振動(dòng)作用和熱作用。機(jī)械振動(dòng)能夠使水粒子向著波腹與波節(jié)方向移動(dòng)，促使水粒子發(fā)生碰撞從而形成更大的水滴，最后在重力的作用下使水滴沉降分離。熱作用可以加快水粒子的運(yùn)動(dòng)，增加水滴碰撞機(jī)會(huì)，由于溫度的升高，降低了油水界面膜的強(qiáng)度并使原油的粘度降低[9]。影響超聲波脫水的因素有很多，包括聲強(qiáng)、頻率、溫度等。無論是在水中還是在油中，超聲波具備良好的傳導(dǎo)性，這就使超聲波法能夠用于各種類型的原油乳狀液。在我國，已成功實(shí)現(xiàn)了超聲波破乳技術(shù)的工業(yè)化。由中石化股份有限公司齊魯分公司研究院研發(fā)的“超聲波強(qiáng)化勝利混合原油破乳技術(shù)”，于2003年6月在勝利煉油廠進(jìn)行了工業(yè)實(shí)驗(yàn)，采用超聲波破乳器后，在相同條件下與單一電脫技術(shù)相比，水含量降低了40%，最關(guān)鍵的是使破乳劑的用量減少了1/2～2/3[10]。

2.6 微波輻射法脫水

微波輻射法是原油破乳脫水時(shí)利用微波的優(yōu)勢(shì)，即微波在破乳的過程中，產(chǎn)生高頻變化的電磁場(chǎng)，乳狀液中的極性分子在變化磁場(chǎng)的作用下，進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這樣使油水界面膜的Zeta電位被破壞，當(dāng)水（油）分子在失去了Zeta對(duì)其的作用后，便在空間內(nèi)的任意方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，不斷發(fā)生碰撞。水分子在吸收了微波能量后，使內(nèi)相水滴膨脹從而導(dǎo)致界面膜受內(nèi)壓變薄。除此之外，在微波形成的磁場(chǎng)下，一些非極性分子會(huì)被磁化，被磁化的非極性分子會(huì)與油分子軸線有一定的角度，在這其中形成渦旋電場(chǎng)，由于渦旋電場(chǎng)的存在減小了分子間作用力，使原油的粘度降低，油與水的密度差增加。通過這些方式，均會(huì)增加水分子的碰撞機(jī)會(huì)，使其不斷聚結(jié)成大水滴，最終在原油中沉降，實(shí)現(xiàn)油水分離[11]。

遼寧石油化工大學(xué)石油化工學(xué)院的胡同亮等[12]。在對(duì)含水率為30%的遼河原油和大慶原油利用微波處理7、11 min，靜置30 min后得到原油的脫水率分別為93.15%和95.28%。采用微波輻射的方式進(jìn)行原油脫水，具有脫水速度快，效率高、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的破乳方式不能夠比擬的，因此具有良好的前景。但目前該方法在油田應(yīng)用需要與石油化工技術(shù)和大功率微波技術(shù)的結(jié)合，存在資源整合的難度，所以若要推廣該技術(shù)，仍然需要微波設(shè)備制造企業(yè)與石化領(lǐng)域企業(yè)的緊密結(jié)合。

2.7 生物法脫水

生物法原油脫水是利用微生物對(duì)原油乳狀液的作用提出的一種新型脫水方法。其原理是：有些微生物在生長(zhǎng)的過程中不斷消耗表面活性劑，在生長(zhǎng)過程中破壞乳狀液，對(duì)其中的乳化劑有生物變構(gòu)作用；與此同時(shí)，在代謝的過程中，某些微生物會(huì)分泌出帶有表面活性的產(chǎn)物，這類的代謝產(chǎn)物對(duì)于原油乳狀液是良好的破乳劑。

國外已有幾家科研機(jī)構(gòu)正致力于研究生物法原油脫水技術(shù)，美國能量生物系統(tǒng)公司（WBC）已擁有細(xì)菌酶，可制取一種生物催化劑，該催化劑在原油被加工前就能使Ni、Ca和Co等金屬分離出。國內(nèi)同樣將生物破乳劑與普通破乳劑進(jìn)行復(fù)配實(shí)驗(yàn)進(jìn)行原油破乳。如崔昌峰[13]等將生物制劑BA與大分子改性劑GD和助劑ZY組成的符合破乳劑，在勝采托一聯(lián)合站進(jìn)行脫水實(shí)驗(yàn)。婁世松[14]等采用化學(xué)與微生物破乳劑結(jié)合的方法，研制出了高效、低成本的破乳劑，在對(duì)大慶原油、蓬萊等地原油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，脫出水含油均降低至40%以上。

生物破乳劑是一種環(huán)保型原油脫水技術(shù)，它具有藥劑用量小、原油脫水速度快、脫水效率高，脫水水質(zhì)好，費(fèi)用低、對(duì)人體無害等優(yōu)點(diǎn)。因此有著良好的工業(yè)化應(yīng)用前景。

3 結(jié)論與建議

目前雖然電脫水技術(shù)較成熟，但隨著在原油開采過程中，熱力驅(qū)油、混相驅(qū)油、化學(xué)驅(qū)油等強(qiáng)化采油技術(shù)的應(yīng)用，使油與水形成的乳狀液更加穩(wěn)定，電脫水技術(shù)已無法滿足要求。同時(shí)由于電脫水方式需要破乳劑的大量使用，這樣不僅破壞了環(huán)境而且造成了資源浪費(fèi)。這就要求我們?cè)诂F(xiàn)階段原油脫水方法的基礎(chǔ)上，研發(fā)新的脫水技術(shù)，在考慮現(xiàn)場(chǎng)條件與環(huán)境特點(diǎn)的條件下，對(duì)現(xiàn)有的技術(shù)進(jìn)行一些改進(jìn)與創(chuàng)新，對(duì)現(xiàn)有的工藝方式進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到脫水的最佳效果。另外，如何將已有的脫水工藝與新的脫水方法結(jié)合，形成一種集成的脫水技術(shù)，實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的原油脫水方式，也是我們目前需要解決的問題。

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