新疆油田稀油乳狀液高頻脈沖低溫電脫水可行性試驗

王梓丞，沈曉燕，陶小平，袁 亮，張永虎，馬俊章

（1.新疆油田公司工程技術研究院，新疆克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司基本建設工程處，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

隨著新疆油田進入開采中后期，采出原油含水率高達90%以上，且很大一部分與原油形成乳狀液，導致原油運輸能耗增加、管道結(jié)垢與腐蝕，并對煉制過程造成不利影響，因此，需將原油采出液含水率降至0.5%～1%以下，以滿足外輸要求。目前，新疆油田各作業(yè)區(qū)普遍通過熱化學沉降法實現(xiàn)原油脫水，但是該方法停留時間長、設備體積大、設備投資和運行費用高。此外，雖然重力沉降能分離絕大多數(shù)的游離水，但對于乳化程度高的W/O乳狀液，其脫水效果難以達到外輸要求[1-2]。

電脫水技術是一項應用廣泛的深度脫水技術，具有脫水速率快、效率高、設備體積小等優(yōu)勢。不過，隨著原油采出液乳化程度的增大、導電性的增強，后續(xù)各聯(lián)合站的電脫水面臨脫后含水高、能耗增加、操作不穩(wěn)等諸多問題與挑戰(zhàn)，很多作業(yè)區(qū)不得不采取提高溫度、增加投藥量、延長停留時間等措施，導致裝置能耗增加，成本上升[3-5]。高壓高頻脈沖電脫水是近年來國內(nèi)新興的電脫方法，與傳統(tǒng)交流、交直流等電脫水方法相比，具有能耗小、效率高的顯著優(yōu)勢，得到了國內(nèi)外學者的廣泛的關注，但是該方法尚未在新疆油田各作業(yè)區(qū)推廣應用[6-11]。

基于此，本文針對新疆油田二廠81#作業(yè)區(qū)的開采油樣，采用高頻脈沖電源和密閉脫水儀在30～70 ℃的溫度區(qū)間內(nèi)開展低溫電脫水可行性試驗，探究電壓幅值、電場頻率、脈寬比、脫水時間、操作溫度等參數(shù)對脫水性能的影響規(guī)律，為新疆油田二廠81#作業(yè)區(qū)及其他類似作業(yè)區(qū)原油采出液低溫電脫水操作參數(shù)的選擇提供指導，同時，也為油田原油采出液低溫電脫技術的實現(xiàn)提供了重要參考價值。

1 試驗裝置與方法

低溫電脫水試驗裝置主要包括：高頻高壓矩形波脈沖脫水電源、升壓變壓器和DTS-Ⅳ（4C）型石油密閉脫水儀；輔助設備包括：電子天平、實驗室高剪切分散乳化機、含水率測定系統(tǒng)、NDJ-5S數(shù)顯粘度計、石油密度計、QBZY-1型全自動表面界面張力測試儀、HH-S數(shù)顯恒溫油浴鍋等。試驗裝置如圖1所示。

圖1 低溫電脫水試驗裝置示意

高頻高壓矩形波脈沖脫水電源由中國石油大學（華東）研發(fā)，電壓、頻率、脈寬比連續(xù)可調(diào)，通過變壓器將電壓放大100倍，變壓器輸出電壓調(diào)節(jié)范圍1 200～7 000 V，脈沖頻率調(diào)節(jié)范圍為1.8～6.3 kHz，脈寬比調(diào)節(jié)范圍為 0.100～0.875。密閉脫水儀帶有溫度自動控制系統(tǒng)。含水率測定系統(tǒng)由XYHS-500X6型原油水份快速測定儀、XYZL-1-K型制冷式循環(huán)水冷卻塔、直管式冷凝管、接受器、圓底燒瓶等組成。

本文所用油樣來自新疆油田二廠81#作業(yè)區(qū)，首先采用數(shù)顯粘度計、石油密度計、表面界面張力儀測得油樣的黏度、密度和表面張力隨溫度的變化曲線，再將現(xiàn)場原油和現(xiàn)場水樣按一定比例混合，用高剪切分散乳化機以4 000 r/min的乳化強度乳化15 min配制成含水率為20%的穩(wěn)定油水乳狀液，并在油水密閉脫水儀中進行低溫室內(nèi)電脫水試驗。

原油乳狀液脫水前后的含水質(zhì)量由含水測定系統(tǒng)測得，并通過下式計算得到原油含水率C。

式中 mw——乳狀液含水質(zhì)量，g；

me——油水乳狀液質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 原油物性

2.1.1 黏溫特性及密溫特性

黏度決定了水滴遷移過程的阻力，即靜電聚并、沉降過程的阻力；油水兩相密度差則是水滴沉降的動力來源。原油的黏度和密度受溫度影響很大，有必要對黏溫特性和密溫特性進行研究。

圖2，3分別示出了油樣的黏度-溫度及密度-溫度曲線。由圖可知，隨溫度由30 ℃升高至70 ℃，油樣黏度由 27.0 mPa·s降低至 9.5 mPa·s，油樣密度由856.5 kg/m3近似線性降低至833.0 kg/m3?？梢姡郎乜山档驮宛ざ?，進而降低液滴靜電聚結(jié)和遷移沉降的阻力；同時油樣密度減小，油水密度差增大，提高了液滴的沉降分離速率。試驗表明，30～70 ℃的低溫電脫水溫度區(qū)間內(nèi)，油樣粘度和密度均較小，有助于實現(xiàn)油水的高效靜電聚結(jié)分離。

圖2 現(xiàn)場油樣黏度-溫度特性曲線

圖3 現(xiàn)場油樣密度-溫度特性曲線

2.1.2 界面張力

除黏度和密度外，界面張力也是液滴靜電聚并的重要影響因素之一，對液滴的聚并、變形和破碎有著重要的影響。圖4示出了油水界面張力隨溫度變化曲線。由圖可知，隨溫度由30 ℃升高至70 ℃，油水界面張力由14 mN/m降低至8.2 mN/m?？梢?，低溫下進行電脫水，油水界面張力大，液滴不易破碎、電分散趨勢下降、液滴聚并后回縮力增加，但是液滴極化變形程度降低、水滴內(nèi)外壓差增大、界面排液聚并難度升高，有必要進行脫水可行性試驗。

圖4 油水界面張力隨溫度變化曲線

2.2 操作參數(shù)的影響

2.2.1 電壓幅值

電場強度是原油電脫水的重要影響因素之一，對油水乳狀液破乳效果影響顯著。取電場頻率5 kHz、脈寬比0.5、停留時間30 min、控制溫度為35 ℃，改變電壓幅值，考察其對靜電脫水的影響規(guī)律。脫水后原油含水率隨電壓幅值的變化曲線如圖5所示。

圖5 脫水后原油含水率隨電壓變化曲線

由圖5可知，脫后含水率隨電壓的增加呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢，最佳脫水電壓幅值為4 kV。原油中水滴在電場作用下會發(fā)生極化，極化水滴間產(chǎn)生偶極聚結(jié)力，均勻電場中相同粒徑兩液滴間的偶極聚結(jié)力可由下式計算得到：

式中 εw——水的相對介電常數(shù)；

r——液滴半徑；

E——外加電場強度；

d——液滴間距離。

隨著電壓的升高，電場強度增大，水滴間偶極吸引力增強，水滴聚結(jié)速率隨之增大，脫后含水量下降。隨著電場強度達到液滴臨界破碎場強，液滴兩遠端靜電拉力超過油水界面張力，出現(xiàn)過度極化和電分散現(xiàn)象，脫水效果降低。

2.2.2 頻率

脈沖電場下液滴極化變形也不斷發(fā)生振蕩和周期性變化，其中電場頻率對水滴振蕩變形的幅度、頻率、極化特性等存在重要影響。取電壓幅值4 kV、脈寬比為0.5、停留時間30 min、控制溫度為35 ℃，改變電場頻率，考察其對靜電脫水的影響。脫后含水率隨電場頻率的變化曲線如圖6所示。

圖6 脫后含水率隨頻率變化曲線

由圖6可知，試驗條件下，原油脫后含水率隨著頻率的增加逐漸減小，頻率達到5 kHz后，脫后含水率趨于平穩(wěn)?？紤]到頻率較高時能耗也隨之增加，確定最優(yōu)頻率為5 kHz。其原因在于，電脫水過程中油水乳狀液呈容性負載，隨著頻率的升高，作用在乳狀液的電壓幅值增高，偶極聚結(jié)力增加，脫水效果提升。然而，隨著頻率的進一步升高，電場變化周期不斷縮短，小于液滴機械弛豫時間，液滴極化變形幅度降低，靜電脫水效果提升不在明顯。實際操作時，應確保電場頻率處于最優(yōu)范圍。

2.2.3 脈寬比

脈寬比作為脈沖電場的重要參數(shù)，其值為一個脈沖波形周期內(nèi)電場作用時間與波形周期時間的比值。取電壓幅值4 kV、頻率5 kHz、停留時間30 min、控制操作溫度為35 ℃，改變脈寬比，考察其對靜電脫水的影響規(guī)律。脫后含水率隨脈寬比的變化曲線如圖7所示。

圖7 脫后含水率隨脈寬比變化曲線

由圖7可知，脫后含水率隨頻率的增加先快速減小，最后趨于平穩(wěn)。當脈寬比過低時，電場作用時間過短，水滴靜電聚結(jié)效果差；隨著脈寬比增大，電場作用時間增加，水滴聚結(jié)效果增強，能耗也隨之上升；但是脈寬比增至一定程度，對水滴效果的促進作用就不再明顯，脈寬比過大時，可能發(fā)生過度極化和電分散現(xiàn)象。試驗條件下，脈寬比增至0.5時，脫后含水率降至最低，繼續(xù)增加脈寬比，脫后含水率不再繼續(xù)降低，脫水能耗反而增加。

2.2.4 操作溫度

為了探究低溫電脫水的可行性，取電場電壓幅值4 kV、頻率5 kHz、脈寬比0.5、停留時間30 min，在25～65 ℃范圍內(nèi)改變操作溫度，考察其對靜電脫水的影響規(guī)律。脫后含水率隨操作溫度的變化曲線如圖8所示。

圖8 脫后含水率隨操作溫度變化曲線

由圖8可知，原油脫后含水率隨操作溫度的增加先急劇減小，后在35 ℃后趨于平穩(wěn)。其原因在于，隨溫度的增加，原油黏度降低、油水密度差增大，液滴在電場中的遷移聚并阻力減小、沉降分離速率增加。由于試驗用油為輕質(zhì)原油，在溫度升至一定值、原油黏度和密度降至足夠低后，黏度和兩相密度差的變化對液滴聚并沉降的影響逐漸減小，電脫效果逐漸趨于穩(wěn)定。試驗表明，電脫溫度應盡量選擇在35 ℃左右，既能節(jié)約能耗，又能保證脫水效果。

2.2.5 停留時間

油水乳狀液的停留時間為液滴在電場中聚結(jié)、沉降的時間。脫水時間過短，液滴無法充分地聚結(jié)沉降；脫水時間過長，雖能達到較高的分離效率，但生產(chǎn)效率低下，要求更大的設備體積。取電壓幅值4 kV、頻率5 kHz、脈寬比0.5，控制操作溫度為30 ℃，改變停留時間，考察其對靜電脫水的影響規(guī)律。脫后含水率隨停留時間的變化曲線如圖9所示。

圖9 脫后含水率隨停留時間變化關系

由圖9可知，脫后含水率隨停留時間的增加而逐漸減小，后趨于平穩(wěn)，且當停留時間為60 min時，脫后含水率可降至0.17%，達到外輸標準。試驗結(jié)果表明，當停留時間達到60 min，乳狀液中液滴的數(shù)量急劇減少、液滴間距增大、粒徑顯著降低，由式（2）可知，液滴間偶極聚結(jié)力大幅降低，繼續(xù)延長停留時間，脫水效果基本維持不變。試驗條件下，60 min為最優(yōu)停留時間，既能保證低脫水含水率，又使得脫水能耗和設備體積最小。

3 結(jié)論

（1）電壓幅值、頻率及脈寬比均對電脫水效果產(chǎn)生顯著影響。試驗條件下，最優(yōu)電場參數(shù)為：電壓幅值4 kV、頻率5 kHz、脈寬比0.5。

（2）隨著溫度升高，原油粘度、密度以及油水界面張力均減小。較低溫度時，升溫能夠有效提高電脫效果，但在溫度升至35 ℃以上、原油黏度和密度降至足夠低后，黏度和兩相密度差的變化對液滴聚并沉降的影響逐漸減小，電脫效果逐漸趨于穩(wěn)定。

（3）試驗條件下，原油脫后含水率隨停留時間的增加而逐漸減小。但當停留時間達到60 min，乳狀液中液滴的數(shù)量急劇減少、液滴間距增大、粒徑顯著降低，液滴間偶極聚結(jié)力大幅降低，繼續(xù)延長停留時間，脫水效果基本維持不變。

（4）本試驗中，在最優(yōu)電場參數(shù)條件下，操作溫度為35 ℃、停留時間為60 min時，原油脫后含水率可降至0.17%，符合外輸要求。試驗表明，高頻脈沖電聚結(jié)技術用于新疆油田稀油乳狀液低溫電脫水是可行的。