油田采出水超聲破乳工藝研究

李 宇

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

油田采出水是一種復(fù)雜多項綜合體系，包含有固體雜質(zhì)、液體雜質(zhì)、溶解氣、游離氣和溶解鹽類等。由于各油田地質(zhì)條件、地層性質(zhì)不同，開采的地底原油特征也有差異，對于不同種類的原油分離條件、集數(shù)條件、儲運條件也不盡相同。雖然各油氣田地質(zhì)條件、構(gòu)造環(huán)境以及原油性質(zhì)不同，開采出的油田水水質(zhì)也存在明顯差異，但是也存在相同之處。比如，油田采出水含油量高，采出水組分復(fù)雜、礦化度高，同時油田采出水水溫較高，還可能具有一定的放射性。目前，油田大多數(shù)采出水處理以物理法和化學(xué)法為主，采出水中的乳化油含量高，因為其易乳化的特性，需要破乳工藝來確保油田采出水處理符合生產(chǎn)要求。

1 超聲破乳實驗

1.1 試驗系統(tǒng)與實驗過程

油田采出水超聲破乳實驗裝置主要由排水管、進水管、超聲波脫油反應(yīng)器、超聲波換能器、超聲波發(fā)生器、反應(yīng)控制箱、電動扣油閥、儲油桶、固液分離箱構(gòu)成。實驗裝置安裝在槽式反應(yīng)器中，使用超聲波功率為1kW，超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲強為0.50。整個實驗反應(yīng)時間180s，處理水量12L，溫度控制在45℃以下。這種反應(yīng)實驗裝置可以計算出5.0m3/h油田采出水量。設(shè)置油田采出水超聲破乳反應(yīng)器參數(shù):反應(yīng)器總?cè)莘e為0.45m3，反應(yīng)器過水截面面積為0.280m2，反應(yīng)器有效長、寬、高分別為1.5m、0.7m、0.5m。

實驗方法:首先將油田采出水注入超聲破乳反應(yīng)器中，在油田采出水溫度升到45℃時，開啟超聲波發(fā)生器。待反應(yīng)進行一定時間后，整個裝置靜置30min，用四氯化碳試劑對水樣進行萃取。最后，出油率可通過紅外分光測定儀測定取萃取液的油濃度來計算。

2 超聲破乳工藝討論

2.1 超聲波脫油反應(yīng)器類型影響破乳除油率

除了實驗所運用的槽式反應(yīng)器，超聲波反應(yīng)器還有筒式、振子式和探頭式等常見的反應(yīng)器類型，不同的超聲波反應(yīng)器有不同的超聲波導(dǎo)入方式，對除油率的影響也各不相同。

在實際運用過程中，槽式反應(yīng)器和筒式反應(yīng)器處理效果較其他兩種反應(yīng)器效果明顯。振子式反應(yīng)器和探頭式反應(yīng)器在使用時，產(chǎn)生的超聲波聲場不勻稱，超聲波能量衰減快，道指最終反應(yīng)效果達(dá)不到預(yù)期。除此之外，探頭式反應(yīng)器的探頭還容易被超聲波自身能量損耗，造成了實驗成本增加。相比之下，筒式反應(yīng)器具有較高的超聲波輻射功率，在短時間內(nèi)可以達(dá)到較好的破乳效果。但是，筒式反應(yīng)器由于自身結(jié)構(gòu)特點，在反應(yīng)進行時需要豎立放置，超聲波換能器則安裝在裝置側(cè)板上，油田采出水中的油在上浮過程中容易黏附在反應(yīng)器壁上，形成油層困難，同時筒式反應(yīng)器耗能大。槽式反應(yīng)器雖然破乳反應(yīng)過程耗時較長，但是破乳效果較其他反應(yīng)器好，同時槽式反應(yīng)器總體結(jié)構(gòu)簡單，油層形成和油層分離較容易，所需能耗較低，是四種反應(yīng)器中綜合效果最好的一種。

2.2 超聲波頻率影響破乳除油率

采用固定變量的方法，保持超聲波功率為1kW、超聲波波強為0.50、整體反應(yīng)時間為150s、油田采出水水溫為45℃、裝置處理水量為12升的條件時，測試超聲波頻率對破乳除油率存在的影響。結(jié)果得出，當(dāng)超聲波波強較高時，超聲聲波頻率為2.7×104Hz時，油田采出水破乳除油率最大，破乳除油效果最好；當(dāng)超聲波波強在0.5以下時，超聲波頻率對超聲波破乳除油效果的影響微弱。實驗表明，超聲波頻率的大小在一定量級的范圍內(nèi)時，只是影響乳化分子向波谷的移動距離或是向波節(jié)的運移距離，所以在此量級內(nèi)乳化除油效果不明顯。實驗數(shù)據(jù)得出，超聲波強度的衰減程度與超聲波頻率的平方成正比，超聲波的頻率越高，超聲波聲場就越不均勻，超聲波衰減速率就越快。所以，在實驗過程中應(yīng)該將超聲波的頻率控制在2.1×104～2.7×104Hz范圍內(nèi)。

2.3 超聲波功率影響破乳除油率

在超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲波強度為0.50，整體破乳反應(yīng)時間150s，油田采出水水溫為45℃、油田采出水水量為12L的條件下時，超聲波功率越大，破乳除油率越高，破乳除油效果越好。實驗結(jié)果顯示，當(dāng)超聲波的功率為1kW時，除油率可以達(dá)到90%。

2.4 超聲波聲強影響破乳除油率

超聲波聲強是超聲波破乳工藝中一個重要的控制影響因素。不同的乳狀液體最優(yōu)的破乳超聲波聲強也不一樣，存在一個臨界超聲波聲強值。當(dāng)超聲波聲強大于臨界超聲波聲強時，乳化表面膜會被破壞，這時石油粒子會進行結(jié)合。但是當(dāng)超聲波聲強小于臨界超聲波聲強時，由于超聲波聲強強度不夠，乳化表面膜不會被破壞，石油粒子無法進行結(jié)合。固定實驗變量，在超聲波功率為一千瓦，超聲波頻率為2.7×104Hz，整個實驗反應(yīng)時間控制在180s，處理水量12L，溫度控制在45℃條件下進行超聲波聲強對破乳除油率的影響實驗，結(jié)果表明，最佳破乳除油超聲波聲強值為 0.35～0.60。

2.5 超聲波輻射時間影響破乳除油率

控制變量，在超聲波功率為1kW，超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲強為0.50，處理水量12L，溫度控制在45℃條件下，進行超聲波輻射時間對破乳除油率的影響實驗。研究實驗結(jié)果表明超聲波輻射時間對破乳除油率有一定影響，但不成正比，在一定的輻射時間范圍內(nèi)破乳除油效果好。在其他實驗條件不變的情況下，150s的超聲波輻射時間對應(yīng)的破乳除油率最高。

2.6 油田采出水中含油濃度影響破乳除油率

在超聲波功率為1kW，超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲強為0.50，整個反應(yīng)時間在150s，處理水量12L，溫度控制在45℃條件下，實驗油田采出中含油濃度對破乳除油率的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在實驗的其他條件處于有效范圍內(nèi)時，油田采出水中初始含油濃度與破乳除油速率成正比，原始含油濃度越高，破乳除油的速率越高。油田采出水中乳化油的粒徑分布與破乳除油速率有關(guān)。在其他實驗條件一定時，能夠破壞的乳化油粒存在半徑臨界值，只有乳化油粒半徑大于臨界半徑時，乳化油粒才能結(jié)合，并在重力作用下上浮，最終擺脫溶液。油田采出水中乳化油粒的粒徑分布剛開始是相對穩(wěn)定的，但由于超聲波作用影響，油田采出水中半徑大于臨界半徑的乳化油粒數(shù)目逐漸減少，半徑小于臨界半徑的乳化油粒又無法被破壞，導(dǎo)致破乳速除油速率逐漸降低。

3 結(jié)論

在實際油田采出水超聲破乳工藝實驗中，主要研究了超聲波破乳反應(yīng)器形式、使用超聲波功率、使用超聲波聲強、使用超聲波頻率、破乳反應(yīng)時間和污水中油濃度等因素對乳除油率的影響。研究分析認(rèn)為，超聲波聲強以及超聲波頻率對破乳除油速率影響效果最為明顯，超聲波反應(yīng)器類型、超聲波使用功率、超聲波輻射時間和油田采出水油濃度等因素也對破乳除油速率有著一定影響。在超聲波功率為1kW，超聲波頻率為2.7×104Hz，超聲波聲強為0.50，整個反應(yīng)時間在150s，處理水量12L，溫度控制在45℃條件下破乳除油率較高。