油田采出液超聲強(qiáng)化破乳技術(shù)研究

于惠娟 劉海麗 劉東杰 劉慧英 房旭

1中石化石油工程設(shè)計(jì)有限公司

2中國石油渤海鉆探第一鉆井工程分公司

在油田開發(fā)過程中，一次采油和二次采油采出的乳化原油多是油包水型，采用常規(guī)電化學(xué)聯(lián)合破乳的方法可實(shí)現(xiàn)油水分離。目前，大部分油田已進(jìn)入高含水開發(fā)期，三次采油技術(shù)逐漸被應(yīng)用，采出液多為水包油乳狀液或水包油與油包水交替出現(xiàn)的復(fù)雜乳狀液，界面膜強(qiáng)度高，乳狀液非常穩(wěn)定[1]，單獨(dú)采用常規(guī)和新合成的破乳劑均難以達(dá)到滿意的破乳效果，采出液處理難度和成本增加。另外，部分聯(lián)合站采用在進(jìn)站井排加破乳劑的工藝，由于井排來液含水較高，溫度低，大部分破乳劑加入后隨水流失，很難有效分散到乳化液油水界面，同時(shí)僅靠藥劑破乳效果有限，脫水率仍較低。

超聲波脫水技術(shù)具有能耗低、對(duì)原油無污染、清潔高效等特點(diǎn)，特別是為黏度較高的稠油乳化油脫水提供了有效、經(jīng)濟(jì)的途徑[2]。國內(nèi)外對(duì)超聲波輔助破乳展開了深入研究，且已將超聲波輔助破乳應(yīng)用于原油、污油、老化油、落地油泥處理中[3-8]。介質(zhì)置于超聲場中能受到超聲場的機(jī)械作用、空化作用和熱學(xué)作用等[9]。超聲波破乳是基于超聲波作用于性質(zhì)不同的流體介質(zhì)產(chǎn)生的位移效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，由于超聲波在油和水中均具有較好的傳導(dǎo)性，這種方法適用于各種類型的乳狀液[10]，可快速實(shí)現(xiàn)原油的破乳，并大幅度提高脫水效率。

影響超聲波破乳效果的因素很多，如聲強(qiáng)、超聲波頻率、聲波作用時(shí)間及作用面積、體系溫度等[11]。本文采用超聲波技術(shù)對(duì)原油采出液進(jìn)行了脫水處理，研究了超聲強(qiáng)度、作用半徑、作用時(shí)間及溫度等對(duì)破乳效果的影響。并與現(xiàn)場藥劑破乳效果進(jìn)行了對(duì)比。

1 超聲破乳技術(shù)及其影響因素

建設(shè)了一套處理量50 L/h、功率1.5 kW 超聲強(qiáng)化破乳試驗(yàn)裝置，以稠油（密度0.978 1 g/cm3，50 ℃黏度1 887 mm2/s）為處理對(duì)象開展試驗(yàn)，測試不同超聲強(qiáng)度（即振幅）、作用半徑、作用時(shí)間、溫度下超聲強(qiáng)化破乳分水效果，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1.1 超聲強(qiáng)度的影響

超聲波聲強(qiáng)是超聲波破乳工藝中一個(gè)重要的影響因素。不同乳狀液體最優(yōu)的破乳超聲波聲強(qiáng)也不一樣，存在一個(gè)臨界超聲波聲強(qiáng)值。當(dāng)超聲波聲強(qiáng)大于臨界超聲波聲強(qiáng)時(shí)，乳化表面膜會(huì)被破壞，這時(shí)石油粒子會(huì)進(jìn)行結(jié)合；當(dāng)超聲波聲強(qiáng)小于臨界超聲波聲強(qiáng)時(shí)，由于聲強(qiáng)強(qiáng)度不夠，乳化表面膜不會(huì)被破壞，石油粒子無法進(jìn)行結(jié)合。在固定頻率及作用液體條件下，聲強(qiáng)與振幅平方成正比，因此本試驗(yàn)以調(diào)整振幅的方式實(shí)現(xiàn)超聲強(qiáng)度的變化。

圖1、圖2 分別為作用半徑20 mm 和40 mm 處在不同超聲振幅下沉降2 h 試驗(yàn)的脫水率（作用時(shí)間80s，初始含水率約50%）。由圖1、圖2 可知，隨著超聲強(qiáng)度即超聲振幅的增加，原油破乳脫水率增大，但超過40 μm 振幅后，脫水率反而下降。這是因?yàn)槌^一定強(qiáng)度后，聲波對(duì)原油乳狀液的作用變?yōu)橐钥栈癁橹?，使本已破乳聚合的水“粒子”又重新分散，發(fā)生乳化，影響分水效果。由于采出液本身性質(zhì)各不相同，其最優(yōu)超聲強(qiáng)度可能不同。

圖1 作用半徑20 mm 處超聲強(qiáng)度對(duì)脫水率的影響Fig.1 Effect of ultrasonic intensity on dehydration rate at 20 mm action radius

圖2 作用半徑40 mm 處超聲強(qiáng)度對(duì)脫水率的影響Fig.2 Effect of ultrasonic intensity on dehydration rate at 40 mm action radius

1.2 超聲作用半徑的影響

圖3、圖4 為不同作用半徑下原油乳狀液沉降2 h 的脫水率。振幅40 μm 時(shí)，作用半徑為0～40 mm，脫水率相對(duì)較高，超過40 mm 后脫水率迅速下降；振幅60 μm 時(shí)較優(yōu)的作用半徑仍為0～40 mm，且低于40 μm 振幅下同等作用半徑時(shí)的脫水率，而50 mm、60 mm 處的脫水率反而超過了40 μm 振幅下同等作用半徑時(shí)的脫水率。這是因?yàn)槌晱?qiáng)度較大，在相同作用半徑的振幅也較大，促進(jìn)了破乳。

圖3 振幅40 μm 時(shí)超聲作用半徑對(duì)脫水率的影響Fig.3 Effect of ultrasonic radius on dehydration rate at 40 μm amplitude

圖4 振幅60 μm 時(shí)超聲作用半徑對(duì)脫水率的影響Fig.4 Effect of ultrasonic radius on dehydration rate at 60 μm amplitude

1.3 超聲作用時(shí)間的影響

超聲波作用時(shí)間對(duì)原油破乳有一定影響，但不成正比，在一定的作用時(shí)間范圍內(nèi)破乳脫水效果好。原油破乳超聲波的作用時(shí)間并非越長越好，存在最佳的作用時(shí)間。圖5、圖6 為不同超聲作用時(shí)間下原油乳狀液沉降2 h 的脫水率。超聲破乳處理時(shí)間過短，“位移效應(yīng)”沒有完全體現(xiàn)，液滴碰撞、聚并沒有結(jié)束，不能有效破乳及脫水；處理時(shí)間過長，將分離出來的油水重新乳化，生成更穩(wěn)定的乳狀液，脫水效果變差。本試驗(yàn)中最佳處理時(shí)間為80 s。

圖5 作用半徑20 mm 處超聲作用時(shí)間對(duì)脫水率的影響Fig.5 Effect of ultrasonic action time on dehydration rate at 20 mm action radius

圖6 作用半徑40 mm 處超聲作用時(shí)間對(duì)脫水率的影響Fig.6 Effect of ultrasonic action time on dehydration rate at 40 mm action radius

作用時(shí)間是指使待處理原油進(jìn)入超聲有效作用半徑（超聲破乳區(qū)間）的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間受超聲功率大小、處理油樣多少、試驗(yàn)器具大小等影響。比如同一個(gè)超聲設(shè)備，當(dāng)試驗(yàn)油樣量不同時(shí)所需的作用時(shí)間也不同，所以這個(gè)作用時(shí)間必須折算成相同標(biāo)準(zhǔn)才有意義。為指導(dǎo)工業(yè)放大試驗(yàn)，可將工業(yè)應(yīng)用時(shí)的作用時(shí)間定義為功率為1 kW 的超聲發(fā)生器處理1 m3原油所需的時(shí)間。本次試驗(yàn)結(jié)果是：最佳超聲時(shí)間80 s，超聲功率1.5 kW，處理油樣30 L，折算成處理時(shí)間為4 000 s。

1.4 破乳溫度的影響

以上試驗(yàn)同時(shí)考察了溫度（50 ℃～60 ℃）對(duì)脫水率的影響，溫度升高，脫水效果提升。溫度是乳化油脫水的敏感因素，使用超聲波處理含水油可降低含水油處理溫度，減少能耗，降低成本。

2 “超聲波-破乳劑”強(qiáng)化破乳

為提高高含水采出液分水效率，減少后續(xù)重力沉降所需的加熱負(fù)荷，采用超聲波-破乳劑耦合強(qiáng)化破乳技術(shù)。在破乳劑作用的基礎(chǔ)上，通過超波聲的擴(kuò)散效應(yīng)使破乳劑在油層快速滲透到達(dá)界面膜，超聲本身還具有促進(jìn)液滴聚并、削弱界面膜強(qiáng)度的作用，可以強(qiáng)化破乳，減少破乳劑用量。超聲波-破乳劑耦合強(qiáng)化破乳用于原油脫水有著良好的發(fā)展前景，特別是對(duì)于用常規(guī)脫水方式難以處理的原油乳狀液破乳脫水。

圖7 為施加不同超聲波作用時(shí)間時(shí)原油乳狀液的微觀圖。由圖7 可知，施加超聲波后，與單純破乳劑相比，會(huì)起到一定破乳作用，宏觀脫水效果明顯提高。超聲短時(shí)作用即可使破乳劑快速均勻分散，且分散后不再施加超聲波，破乳劑仍能保持長時(shí)間的分散穩(wěn)定狀態(tài)。但超聲作用時(shí)間過長、強(qiáng)度過大會(huì)出現(xiàn)過乳化現(xiàn)象，反而對(duì)破乳聚并產(chǎn)生負(fù)作用，因此還需要根據(jù)油品性質(zhì)，選取最優(yōu)作用時(shí)間、作用強(qiáng)度等參數(shù)。

圖7 施加不同超聲作用時(shí)間時(shí)原油乳狀液的微觀圖Fig.7 Micrograph of crude oil emulsion under different ultrasonic action time

在超聲影響因素的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，開展了稠油在破乳劑、超聲及“超聲+破乳劑”等三種因素作用下的原油脫水試驗(yàn)。

由表1 可知，在初始含水率相對(duì)較高時(shí)，超聲單獨(dú)作用效果優(yōu)于破乳劑單獨(dú)作用效果；在初始含水率較低時(shí)，超聲單獨(dú)作用效果低于破乳劑單獨(dú)作用效果。在“破乳劑+超聲”雙重作用下，乳狀液發(fā)生了良好的破乳及聚并，脫出水量及脫水率最高。初始含水率為45%時(shí)，室內(nèi)沉降2 h 脫水率可達(dá)48.5%，初始含水率為23%時(shí)，脫水率可達(dá)61.3%，較破乳劑單獨(dú)作用提高了約15～20 個(gè)百分點(diǎn)，且初始含水率越高，這種優(yōu)勢越明顯。

表1 超聲波-破乳劑耦合強(qiáng)化破乳脫水試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Test results of ultrasonic-demulsifier coupling to enharce demulsification and dehydration

為驗(yàn)證該技術(shù)對(duì)中質(zhì)原油的處理效果，以某站來液為處理對(duì)象（密度919 kg/m3，工況黏度190 mm2/s），開展了脫水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2，處理后含水率＜1%。

表2 中質(zhì)油脫水試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Dehydration test results of medium oil

3 結(jié)論

采用超聲波技術(shù)對(duì)稠油采出液進(jìn)行了脫水處理。試驗(yàn)條件下，最佳超聲振幅為40 μm，作用半徑為40 mm，作用時(shí)間為80 s。振幅過大、作用時(shí)間過長均會(huì)對(duì)破乳產(chǎn)生不利影響，作用半徑超過40 mm 后脫水率迅速下降。超聲脫水的技術(shù)參數(shù)根據(jù)原油性質(zhì)的差異而發(fā)生變化。超聲波-破乳劑耦合強(qiáng)化破乳與破乳劑單獨(dú)作用相比，可增強(qiáng)破乳效果，提高脫水率約15～20 個(gè)百分點(diǎn)。研究表明，將超聲技術(shù)應(yīng)用于油水分離，可減少能耗，降低成本，該技術(shù)有著良好的發(fā)展前景。