老化油乳化液在高頻高壓脈沖交流電場下的破乳脫水實驗研究

李瑋健，陳家慶，張 明，尚 超，孟 浩，王春升

(1.北京石油化工學院機械工程學院，北京 102617；2.深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點實驗室；3.中海石油(中國)有限公司北京研究中心)

中海油深圳分公司流花11-1油田的老化油主要來源于水力旋流器和緩沖罐排出的污油、動態(tài)電脫鹽器排出的乳化層及底部長時間沉積的雜質(zhì)，有較高的穩(wěn)定性和導電性。原油處理流程中老化油的存在既占脫水設(shè)備的有效容積，也影響動態(tài)電脫鹽器的正常工作，因此必須對老化油進行有效的破乳處理。海上平臺空間小、承重有限，采取應用廣泛且技術(shù)相對成熟的電場破乳脫水方法更為合理，但常規(guī)電脫水(鹽)器使用的工頻高壓電場處理老化油時容易出現(xiàn)“垮電場”現(xiàn)象。根據(jù)國內(nèi)外學者的相關(guān)研究，對于老化油之類的復雜穩(wěn)定WO型乳化液的電場破乳，高頻高壓脈沖交流電場在破乳效率、能耗和電場穩(wěn)定性方面有更大優(yōu)勢[1-2]。雖然國內(nèi)外學者目前對于高頻高壓脈沖交流電場破乳過程中存在最優(yōu)電場強度和電場頻率已經(jīng)形成共識，但對采用何種電壓波形最優(yōu)仍然存在一定分歧[3-4]。結(jié)合高頻高壓脈沖交流電場破乳處理老化油這一具體問題，迄今為止公開發(fā)表的文獻仍存在實驗方案不夠完善、研究分析不夠深入等缺憾[5]。潘澤昊等[6]采用流花油田老化油進行了高頻高壓脈沖電場破乳脫水實驗，但只探討了場強和頻率對破乳脫水效果的影響，沒有提及電壓波形。鄒萬勤等[7]研發(fā)的變頻變壓脈沖脫水電源，可輸出電壓±600 V～±60 kV、頻率50～20 kHz、脈寬比10%～92%的交流方波電場，目前安裝在渤海油田浮式生產(chǎn)儲卸油裝置上處理原油、老化油和酸化壓裂返排液，但未能給出處理效果的具體數(shù)據(jù)?；诖耍狙芯繑M基于高頻高壓脈沖交流電場，通過對穩(wěn)定性較強的WO型老化油乳化液開展系統(tǒng)全面的電場破乳+離心強化沉降脫水實驗，得出最優(yōu)電場破乳參數(shù)，以期為流花11-1油田老化油處理工藝的優(yōu)化提供技術(shù)支持。

1 實 驗

1.1 原料性質(zhì)

老化油來自南海流花11-1油田，性質(zhì)見表1。流花油田老化油屬于高密度、高黏度、高酸值、低硫重質(zhì)原油。

1.2 實驗裝置

電場破乳實驗所用靜態(tài)瓶式靜電聚結(jié)器結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用三層環(huán)形玻璃結(jié)構(gòu)使乳化液在電場作用下的油水分層現(xiàn)象可視化。

表1 老化油的性質(zhì)及組成

圖1 靜態(tài)靜電聚結(jié)破乳實驗裝置示意

1.3 實驗方法

圖2 不同含水率乳化液剪切不同時間后的穩(wěn)定性■—含水率10%，剪切6 min； ●—含水率20%，剪切8 min； ▲—含水率30%，剪切11 min； ◆—含水率40%，剪切17 min

實驗采用“電場破乳+離心強化沉降脫水”方法。通過改變剪切時間確保不同含水率乳化液在加電前的乳化程度相同，從而使后續(xù)電場破乳特性研究數(shù)據(jù)更加準確可靠。使用Turbiscan穩(wěn)定性分析儀進行乳化液穩(wěn)定性測試，結(jié)果如圖2所示。配制含水率10%，20%，30%，40%乳化液的剪切時間分別為6，8，11，17 min，靜置3 h后TSI(Turbiscan穩(wěn)定性指數(shù))值皆在0.25左右，說明不同含水率乳化液的乳化程度和穩(wěn)定性基本一致。經(jīng)電場破乳和離心脫水作用后的乳化液底部有明水析出。

2 結(jié)果與討論

2.1 老化油黏溫及反相特性分析

原油乳化液黏度隨含水率變化而變化，含水率較低時，黏度隨含水率增加而升高，此時為WO型乳化液，含水率繼續(xù)升高超過某一數(shù)值時，黏度隨含水率升高而迅速下降，此時乳化液反相變?yōu)镺W型乳化液。本研究基于WO型乳化液開展電場破乳研究，為確定實驗樣品為WO型老化油乳化液，需通過其黏溫特性判斷反相點。

黏溫特性測試采用Anton Paar流變儀的“剪切速率恒定+時間掃描”模式，測試過程中設(shè)置溫度由100℃到20 ℃線性下降，剪切速率450 s-1，老化油乳化液黏度隨溫度和含水率的變化如圖3所示。

含水率：●—10%； ■—20%； ▲—30%；

溫度： ■—20 ℃； ●—30 ℃； ▲—40 ℃； ℃；

從圖3(a)可以看出：不同含水率乳化液黏度皆隨溫度升高而降低，且溫度較高時黏度變化緩慢；溫度降低時黏度的增長率隨之升高。從圖3(b)可以看出，不同溫度下，乳化液黏度隨含水率先升高后降低，在含水率為40%處達到最高點，可以確定乳化液在40%的含水率下發(fā)生反相。因此，后續(xù)實驗選擇含水率40%及以下的乳化液，確保實驗對象為WO型乳化液。

2.2 高頻高壓電場破乳的有效性

對含水率為40%的老化油乳化液加電壓6 kV、頻率2 kHz、波形為矩形波的高頻高壓脈沖交流電場，加電時間1 min。加電前后分別在乳化液表層處取樣，使用偏光顯微鏡放大500倍觀測到的油水兩相如圖4所示。

圖4 加電前后老化油乳化液的微觀狀態(tài)對比

由圖4(a)可以看出，水相以大量粒徑較小的水顆粒形式分散在油相中，平均粒徑約為1 μm，視野范圍內(nèi)的最大粒徑約為5 μm；由圖4(b)可以看出，水顆粒粒徑顯著增大且數(shù)量急劇減少，平均粒徑約為10 μm，拍攝到的最大水顆粒粒徑約為40 μm。顯然，高頻高壓脈沖交流電場促進了水顆粒的聚結(jié)長大。加電后錐底量筒底部析出明水7 mL。

2.3 電場強度對脫水率的影響

保持電場頻率為2 kHz、電壓波形為矩形波、占空比(占空比是高電平時間與周期時間之比)為0.5不變，分別對3，4，5，6，7，8 kV共6種輸出電壓值進行實驗。由于乳化液處于環(huán)形電場內(nèi)，流道橫截面各處電場強度不一致，因此以施加在高壓電極上的電壓幅值表征電場強度。圖5所示為含水率40%的老化油乳化液在不同電場強度作用下經(jīng)過離心沉降后的脫水率。

由圖5可知，老化油乳化液存在最優(yōu)電場強度，即電壓幅值為6 kV，在此之前乳化液脫水率隨電壓值增加而增加，達到6 kV后過高的電壓值對水顆粒靜電聚結(jié)有了抑制作用，使得脫水率下降。WO型乳化液中的水顆粒在電場作用下發(fā)生極化，水顆粒之間碰撞聚結(jié)長大，并在離心力場強化作用下沉降，最終達到油水分離的目的。增加電場強度可以增大液滴之間的吸引力，增加液滴變形度進而使油水界面膜的機械強度降低，使相鄰水顆粒發(fā)生碰撞聚結(jié)。在此階段，乳化液脫水率隨場強升高而升高。但達到一定電場強度后，過大的電場作用力使水顆粒過度變形進而破碎形成二次液滴，抑制了水顆粒的聚結(jié)長大，因而導致脫水率隨電壓幅值進一步升高而回落。

圖5 老化油乳化液脫水率隨電場強度的變化

2.4 電場頻率對脫水率的影響

保持電壓幅值6 kV、電壓波形為矩形波、占空比0.5不變，對含水率40%的老化油乳化液，改變電場頻率(0.05，1.0，1.5，2，2.5，3 kHz)，觀察頻率對乳化液電場破乳脫水效果的影響，結(jié)果見圖6。由圖6可知：①乳化液脫水率隨頻率增加而增加，當頻率達到2 kHz時老化油乳化液脫水率達到最大，乳化液在頻率為2 kHz時的脫水率為74.074%，頻率進一步增大時脫水率反而減小；②對比工頻(0.05 kHz)和高頻電場(1.0，1.5，2，2.5，3 kHz)的破乳效果，可以看出高頻電場作用效果明顯優(yōu)于工頻電場。改變?nèi)榛汉?，最?yōu)電場破乳參數(shù)不變。

圖6 老化油乳化液脫水率隨電場頻率的變化

2.5 電壓波形對脫水率的影響

保持電壓幅值6 kV、電場頻率2 kHz、占空比0.5不變，對乳化液進行不同波形的電場破乳實驗，分別觀察矩形波、正弦波、三角波和脈沖直流波下的電場破乳效果，不同波形下的脫水率如圖7所示。由圖7可知，矩形波條件下乳化液脫水率最高，脈沖直流條件下脫水率最低。因此，不同波形按電場破乳效果比較，由強到弱依次為矩形波>正弦波>三角波>脈沖直流波，最優(yōu)波形為矩形波。

圖7 老化油乳化液脫水率隨電壓波形的變化

圖8 一個周期內(nèi)4種波形的電壓幅值變化

4種電壓波形在一個周期內(nèi)的電壓幅值變化如圖8所示。由圖8可知：存在臨界電場強度Ea(即最優(yōu)電場破乳強度)、最小有效電場強度Ec分別為電分散區(qū)和電壓有效區(qū)、電壓有效區(qū)和電壓無效區(qū)的分界值。不同波形的電壓幅值在一個周期內(nèi)有不同的變化規(guī)律。在電壓均方根值相同的情況下，矩形波在一個周期內(nèi)處于電壓有效區(qū)的時間最長，對分散相水顆粒的靜電聚結(jié)的促進作用最大，因此矩形波最有利于液滴聚結(jié)。此外，高頻交流電場對分散相液滴的作用力在短時間內(nèi)不斷反向，使液滴高頻震蕩并加大形變量，更有利于液滴的碰撞聚結(jié)。

3 結(jié) 論

(1)對比高頻電場和工頻電場破乳效果，由乳化液脫水率可知，高頻高壓脈沖交流電場破乳效果明顯優(yōu)于工頻高壓交流電場。高頻電場能夠促進分散相水顆粒振蕩范圍的增大、顆粒變形程度的加劇，從而提升水顆粒的聚結(jié)長大效果，為后續(xù)加速沉降營造良好的前提條件。