高頻脈沖原油脫水技術在頁巖油處理中的應用

馮小剛 黃大勇 葉俊華 宋多培 張志龍 賈玉庭 王偉 李建財 胡新玉

中國石油新疆油田分公司吉慶油田作業(yè)區(qū)

吉木薩爾頁巖油2021年原油產(chǎn)量將達100×104t，2025 年達到200×104t。頁巖油地面原油密度為0.875 8～0.932 1 g/cm3，平均為0.892 4 g/cm3；50 ℃黏度為31.0～489.9 mPa·s，平均為103.5 mPa·s；含蠟量質量分數(shù)為3.7%～24.1%，平均為8.8%；凝固點為19～37.0 ℃；析蠟點為30～39 ℃，平均為35 ℃；屬于高凝點、高含蠟量、高析蠟點原油。根據(jù)前期室內乳狀液穩(wěn)定性評價結果，頁巖油乳化程度高，破乳脫水困難。原油乳狀液穩(wěn)定，在溫度60～85 ℃不加破乳劑的情況下，采出液在24 h 脫水率為零。含水率50%的原油乳狀液無法分離出游離水。現(xiàn)有的熱化學原油脫水工藝，處理流程長、不密閉，處理成本高，油氣損耗大，存在環(huán)保風險高的問題。常規(guī)的電脫水工藝可對含水率在30%以下的低含水原油進行有效脫水，但對于高含水原油電脫水處理效果較差。因此，急需采用處理工藝密閉、處理流程短，能耗低，處理成本低的原油處理工藝實現(xiàn)頁巖油高效處理。

新疆油田提出了高頻脈沖原油脫水技術處理頁巖油的思路，一是為了簡化頁巖油處理工藝，實現(xiàn)密閉處理和在線動態(tài)交油，減小油氣損耗，降低原油處理單耗；二是實現(xiàn)邊遠小區(qū)塊原油就地處理，低含水原油拉運至聯(lián)合站處理，降低原油拉運成本，實現(xiàn)脫出水就地處理回注，減少清水用量。通過前期試驗研究和現(xiàn)場成功應用，驗證了原油含水范圍在15%～100%的原油處理效果，確定了高頻脈沖原油處理裝置的最大處理規(guī)模、最低處理溫度、藥劑最佳投加濃度等運行參數(shù)[1]，為原油處理工藝簡化優(yōu)化和密閉高效處理提供了技術支撐。

1 高頻脈沖原油處理技術原理

高頻脈沖原油脫水裝置包括罐體、脈沖破乳電源、高壓脈沖電源。其中，罐體內部裝有多組脈沖破乳電極板和多組高壓脈沖電極板，脈沖破乳電極板沿水平方向陣列，高壓脈沖電極板沿豎直方向陣列。高壓脈沖電極板并聯(lián)后在罐體上設置高壓脈沖電極接線口，脈沖破乳電極并聯(lián)后在罐體上設置脈沖破乳電極接線口。高壓脈沖電極接線口與高壓脈沖電源連接，脈沖破乳電極接線口與脈沖破乳電源連接。裝置結構簡單、緊湊，能耗低。處理后的原油含水率和污水含油量低。

1.1 電磁輻射降黏原理

磁場作用于原油時，會使原油產(chǎn)生誘導磁矩，抑制蠟晶形成和聚結，使蠟晶以小顆粒形式存在于原油中，同時原油中的石蠟、膠質、瀝青質等抗磁性物質會進行有序排列，增強了流動性。脈沖磁場可破壞各烴類分子間的作用力，分子通過自身振蕩而受到磁感共振，使分子振動增強、分子間相互作用減弱，導致分子的聚集狀態(tài)發(fā)生改變，使分子的聚合力減弱，其中的膠質和瀝青質以分散相而非締結相溶解在油中，從而使油黏度降低，增加流動性。通俗形容為石蠟、膠質、瀝青質等物質由不規(guī)則的跟著原油走，變成了分散開、有規(guī)則地分布于原油中。

1.2 脈沖破乳原理

脈沖電磁場使乳化小水珠在電場中產(chǎn)生振動、變形。當外加電場頻率接近界面膜諧振頻率時兩者形成共振，界面膜因振動、變形幅度增大而破裂，實現(xiàn)破乳。該技術可在不添加破乳劑的條件下，通過電場頻率調節(jié)形成共振的物理方法破壞油水乳狀液穩(wěn)定性，實現(xiàn)采出液的破乳。

1.3 高頻電場聚結脫水原理

根據(jù)電介質（原油乳狀液）的擊穿伏秒特性，通過調整高頻脈沖輸出頻率和占空比（脈沖時間），使高頻脈沖輸出時間小于原油乳狀液在電極間形成短路擊穿時間，在擊穿形成前關閉脈沖輸出，待絕緣恢復后再發(fā)下一個脈沖，利用高頻脈沖的特性在電極間加較高的電場又可避免短路擊穿現(xiàn)象，從而建立起穩(wěn)定的高頻高壓電場。油中小水珠在電場作用下產(chǎn)生變形、振動，相互碰撞快速聚結成大水珠，通過重力沉降分離。電極間水鏈與極板連通前關閉脈沖，電流達到短路電流前關閉脈沖。高頻脈沖電流電壓隨時間變化如圖1和圖2所示。

圖1 脈沖電流電壓變化演示圖Fig.1 Pulse current and voltage variation diagram

圖2 實測電流電壓運行圖Fig.2 Measured current and voltage operation diagram

2 室內研究

吉木薩爾頁巖油屬于高凝點、高含蠟量、高析蠟點原油，原油物性見表1。將含水率在45%～50%的頁巖油混合樣（1 號拉油點、吉251-H 井、吉32 井）加入到高頻脈沖實驗儀器中，加熱到實驗溫度，設置高頻脈沖的電壓、頻率、占空比等電參數(shù)，確定針對頁巖油的最佳處理參數(shù)。

表1 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組油藏地面原油性質參數(shù)Tab.1 Surface crude oil property parameters of Permian Lucaogou Formation Reservoir in Jimusar Depression

2.1 電場強度對原油脫水效果的影響

設置高頻脈沖的頻率為13 000 Hz，占空比為65%，溫度為聯(lián)合站電脫水器的處理溫度70 ℃，停留時間為2.5 h，破乳劑質量濃度為150 mg/L，評價高頻脈沖不同電場強度下（1.5、1.65、1.8、1.95、2.1、2.175、2.25 和2.4 kV/cm）對頁巖油含水率的影響，實驗結果如圖3 所示。

圖3 電場強度對頁巖油脫水效果影響折線Fig.3 Broken line of the influence of electric field intensity on shale oil dehydration effect

由圖3 可知，隨著電場強度的增加頁巖油含水率先降低后升高，當電場強度為2.175 kV/cm 時含水率最低。隨著電場強度的增加，液滴之間的靜電作用增大，增強了液滴的變形度，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[2]。在此階段，乳化液脫水率隨電場增強而升高。但達到一定電場強度后，過強的電場力會使水顆粒過度變形而破碎形成若干小水滴，抑制了水顆粒的聚結分離，破乳反而變得困難，含水率也隨之增加。

2.2 電場頻率對原油脫水效果的影響

保持最佳電場強度2.175 kV/cm，占空比為65%，溫度為現(xiàn)場處理溫度70 ℃，停留時間為2.5 h，破乳劑質量濃度為150 mg/L，評價高頻脈沖不同頻率（6 000、7 000、8 000、9 000、10 000、110 000、12 000、13 000 和14 000 Hz）對頁巖油含水率的影響[3]，實驗結果如圖4 所示。

圖4 電場頻率對頁巖油脫水效果影響折線Fig.4 Broken line of the influence of electric field frequency on shale oil dehydration effect

由圖4 可知，當電場頻率從6 000 Hz 增加到14 000 Hz，隨著電場頻率的增加頁巖油含水率先降低后升高，當頻率為10 000 Hz 時含水率最低，脫水效果最好。電場頻率增加到一個最優(yōu)頻率值時，液滴變形度達到最大，最有利于水滴之間碰撞聚結。當頻率超過這一值后[4]，電場交變過快，液滴在電場作用下，拉伸變形量還沒有達到最大值就受到相反的作用力，抑制了水顆粒的極化，影響了聚結速率，從而導致含水率上升。

2.3 占空比對原油脫水效果的影響

保持最佳電場強度為2.175 kV/cm，最佳頻率為10 000 Hz，溫度為現(xiàn)場處理溫度70 ℃，停留時間為2.5 h，破乳劑質量濃度為150 mg/L，評價高頻脈沖不同占空比（30%、40%、50%、60%、70%、80%和90%）對頁巖油含水率的影響，實驗結果如圖5 所示。

圖5 占空比對頁巖油脫水效果影響折線Fig.5 Broken line of the influence of duty ratio on shale oil dehydration effect

由圖5 可知，當高頻脈沖占空比從30%增加到90%時，隨著占空比增加，頁巖油含水率呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，當占空比為60%時含水率最低，脫水效果最好。原因在于，當占空比較低時，單個周期內電場作用于乳狀液的時間小，液滴間偶極作用克服連續(xù)相的黏滯阻力而相互靠近的速率較慢，靠近的液滴難以完成液膜破裂，因此液滴群的聚結效果較差。隨著占空比增加，乳狀液中液滴所受的電場作用時間及電場能均有效增加，液滴的聚結率有效提高[5]。但當占空比過大時，單周期脈沖寬度時間內形成的水鏈在較短的脈沖休止階段難以充分消散，電場能經(jīng)水鏈泄漏，導致乳狀液中液滴的聚結率低，原油含水率反而升高。

2.4 停留時間對原油脫水效果的影響

保持最佳電壓值1 450 V，最佳頻率10 000 Hz，最佳占空比60%，溫度為現(xiàn)場處理溫度70℃，破乳劑濃度為150 mg/L，評價高頻脈沖不同停留時間（0.5、1、1.5、2、2.5、3、4 和5 h）對頁巖油含水率的影響[6]，結果如圖6 所示。

圖6 停留時間對頁巖油脫水效果影響折線Fig.6 Broken line of the influence of residence time on shale oil dehydration effect

由圖6 可看出，隨著停留時間的增加，頁巖油含水率逐漸減小。隨停留時間的增加，乳狀液在高壓高頻脈沖電場下的作用時間增加，作用于分散相水滴的電場能增大，水滴的碰撞聚結效應變強，脫水效果變強。當停留時間超過2 h 后，含水率基本保持不變，因此頁巖油在高頻脈沖電場的最佳停留時間為2 h[7]。

2.5 最佳處理溫度和破乳劑濃度的確定

保持最佳電參數(shù)（電壓值為1 450 V，頻率10 000 Hz，占空比60%）、最佳停留時間2 h，確定高頻脈沖處理頁巖油的最佳處理溫度和破乳劑濃度，實驗數(shù)據(jù)如圖7 所示。

圖7 不同溫度和破乳劑濃度脫水后的原油含水率（處理時間2 h）Fig.7 Water content of crude oil dehydrated at different temperature and demulsifier concentration(2-hour treatment time)

通過室內破乳劑的評價，最佳破乳劑加藥量在50～60 mg/L，最佳處理溫度在50 ℃左右。通過高頻脈沖室內脫水效果評價，有必要進一步開展現(xiàn)場應用，評價其對頁巖油的處理效果和處理成本[8]。

3 現(xiàn)場應用

3.1 工藝流程及技術參數(shù)

通過高頻脈沖和電脫水技術在吉木薩爾頁巖油的處理效果對比，來論證高頻脈沖技術的可行性和可靠性。處理工藝為全密閉流程，油區(qū)來液先進高頻脈沖原油脫水裝置進行油水分離，出口原油（原油含水率≤1%）直接在線交油，脫出水進污水除油處理裝置進行處理，達到注水指標進行回注（圖8）。

圖8 高頻脈沖原油處理工藝流程Fig.8 Process flow of high frequency pulse crude oil treatment

現(xiàn)場進行了頁巖油處理液量在600、800 和1 000 m3/d，處理溫度在70 ℃、60 ℃和55 ℃，進口含水率在46%～50%，破乳劑加藥量在50 mg/L時，高頻電磁脈沖和電脫水橇的原油處理效果實驗。

3.2 原油處理效果

3.2.1 出口原油含水率

在不同處理液量和不同處理溫度下，處理量越大，溫度越低，高頻脈沖出油原油含水率的處理效果比電脫水橇出口的處理效果優(yōu)勢越明顯（圖9）。在處理液量1 000 m3/d 時，處理溫度從70 ℃調整到55 ℃時，高頻脈沖的出口原油含水率從0.26%上升到0.38%，上升幅度僅為0.12%，而電脫橇出原油含水率從0.32%上升到0.64%，上升幅度為0.32%。在55 ℃時，高頻脈沖的原油處理效果要優(yōu)于電脫水橇的處理效果，電脫水橇的出口原油含水率已超過0.5%的交油含水率指標要求。

圖9 高頻脈沖和電脫水橇出口原油含水率分析Fig.9 Analysis of water content of crude oil exported by high frequency pulse and electric dehydration skid-mounted unit

3.2.2 出水含油量

在不同處理液量和不同處理溫度下，處理量越大，溫度越低的情況下，高頻脈沖出水含油率的處理效果比電脫水橇的處理效果優(yōu)勢越明顯（圖10）。在處理液量1 000 m3/d 時，處理溫度從70 ℃下調到55 ℃時，高頻脈沖的出水含油濃度從236 mg/L 上升到410 mg/L，僅上升了174 mg/L，而電脫水橇出水含油濃度從615 mg/L 上升到1 100 mg/L，出水含油濃度上升了485 mg/L，電脫水橇的出水含油濃度已超過1 000 mg/L的污水進油含油設計指標要求，高頻脈沖的原油處理效果要優(yōu)于電脫水橇的處理效果。

圖10 高頻脈沖和電脫水橇出水含油率分析Fig.10 Analysis of oil content of water exported by high frequency pulse and electric dehydration skid-mounted unit

3.2.3 處理能耗

在不同處理溫度和處理液量下，高頻脈沖脫水的噸液耗電量在0.12～0.15 kWh，電脫水橇的噸液耗電量在0.24～0.27 kWh，高頻脈沖的噸液耗電量僅為傳統(tǒng)電脫水工藝的50%左右（圖11），高頻脈沖脫水技術有效地降低了原油脫水的噸液耗電量。

圖11 高頻脈沖和電脫水噸液耗電量分析Fig.11 Power consumption analysis of per ton of liquid of high frequency pulse and electric dehydration

3.2.4 處理工藝優(yōu)化簡化

常規(guī)的熱化學原油脫水工藝處理流程長，油氣處理流程不密閉，油氣損耗大，處理成本高，能耗大，存在環(huán)保風險高的問題。通過成功應用壓力密閉式高頻脈沖脫水技術，實現(xiàn)了油氣密閉處理，減少了機泵和大罐沉降環(huán)節(jié)，優(yōu)化簡化了原油處理工藝流程（圖12），降低了聯(lián)合站原油處理設施的日常維護工作量[9]。

圖12 常規(guī)原油處理工藝和高頻脈沖密閉處理工藝對比示意圖Fig.12 Schematic diagram of the comparison between conventional crude oil treatment process and high frequency pulse sealing treatment process

4 結論

（1）高頻脈沖在頁巖油處理中，在相同加藥濃度和處理液量下，高頻脈沖比常規(guī)電脫水工藝的脫水溫度低5～10 ℃。

（2）在不同的處理液量和處理溫度下，高頻脈沖處理后的原油含水率和出水含油率更低，原油含水率穩(wěn)定地控制在0.5%以下，出水含油濃度控制在500 mg/L 以下，較電脫水處理原油含水率和出水含油濃度大幅下降，均達到設計指標要求。

（3）高頻脈沖原油處理技術的噸液耗電量達到0.15 kWh/t 以下，是常規(guī)電脫水處理工藝噸液耗電量的50%左右，有效降低了用電能耗。

（4）高頻脈沖原油處理技術實現(xiàn)了原油系統(tǒng)密閉處理，解決了油氣在大氣中的損耗，縮短了處理流程，節(jié)省了凈化油罐，優(yōu)化簡化了原油處理工藝，高頻脈沖處理后的原油含水率直接達到交油指標，實現(xiàn)了動態(tài)在線交油。