電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離技術(shù)在油田采出液中的應(yīng)用研究

唐曉旭，張 勇，王秀軍，陳家慶

（1.中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300452；2.海洋石油高效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100028；3.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京100028；4.北京石油化工學(xué)院，北京102617）

我國(guó)油田主要是注水開(kāi)發(fā)，且大部分主力油田已處于高含水開(kāi)發(fā)階段，采出液中含水量已達(dá)70%，甚至是90%以上〔1-2〕。此外，在化學(xué)驅(qū)提高主力油田采收率過(guò)程中，由于投入了大量的化學(xué)藥劑，采出液穩(wěn)定性高〔3〕，對(duì)破乳藥劑及分離設(shè)備提出了新的挑戰(zhàn)。目前，采用的采出液分離設(shè)備主要是三相分離器及常規(guī)電脫水裝置，但由于采出液穩(wěn)定性的增強(qiáng)，使得重力沉降分離效率大大降低。另外，僅靠重力分離會(huì)使設(shè)備體積增大，這在海上平臺(tái)很難實(shí)施，且現(xiàn)行在用的兩級(jí)串聯(lián)三相分離器出口含水率大于30%，無(wú)法滿(mǎn)足常規(guī)電脫入口設(shè)計(jì)要求〔4-5〕。因此，迫切需要開(kāi)發(fā)效率高、成本低、流程短、體積小的新型三相分離破乳處理技術(shù)及設(shè)備。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，原油脫水用緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)技術(shù)一直是世界海洋石油大國(guó)的研究熱點(diǎn)。目前較為知名的產(chǎn)品主要有緊湊型靜電聚結(jié)器（Compact Electrostatic Coalescer，CEC）、在線(xiàn)靜電聚結(jié)器（Inline Electrostatic Coalescer，IEC）、容器內(nèi)置式靜電 聚 結(jié) 器（Vessel Internal Electrostatic Coalescer，VIEC）、低含水量聚結(jié)器（Low Water Content Coalescer，LOWACC）等4種。這些緊湊型靜電預(yù)聚結(jié)產(chǎn)品有3個(gè)共同特點(diǎn)：一是采用AC電場(chǎng)，二是油水乳化液在其中的流動(dòng)狀態(tài)為湍流，三是使用帶絕緣涂層的電極（圓筒狀或波紋板狀）。本研究借鑒此思路，將靜電場(chǎng)與三相分離器結(jié)合起來(lái)，設(shè)計(jì)并制造了10 m3/h的電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器，減小了設(shè)備占地面積及總體質(zhì)量。在高含水工況下，研究了電場(chǎng)強(qiáng)化化學(xué)驅(qū)采出液油水兩相分離的可行性，以期解決化學(xué)驅(qū)采出液高效分離技術(shù)缺乏的問(wèn)題。

1 電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器分離沉降理論模型

三相分離器內(nèi)原油脫水的最終效果取決于破乳聚結(jié)和沉降分離這兩大物理過(guò)程。A.A.ALQAHTANI提出了基于α和β2個(gè)無(wú)量綱因子的分離預(yù)測(cè)模型〔11〕，α為靜電聚結(jié)效率，受電場(chǎng)參數(shù)的影響；β為沉降分離效率，受流體物性參數(shù)及形狀的影響。丹麥W?rtsil?Oil&Gas Systems公司驗(yàn)證了該分離性能預(yù)測(cè)模型可用于不同尺寸三相分離器的性能預(yù)測(cè)，其結(jié)果符合尺寸無(wú)關(guān)性〔10〕。計(jì)算公式如式（1）、式（2）所示。

式中：TE——乳化液在電場(chǎng)區(qū)域的水力停留時(shí)間，s；

Tc——相鄰水顆粒聚結(jié)時(shí)間，s；

γ——油水兩相相對(duì)介電常數(shù)有關(guān)的常數(shù)，且有其中，εo，εw分別為連續(xù)相、分散相水顆粒的相對(duì)介電常數(shù)；

φ0——三相分離器入口處油中含水體積分?jǐn)?shù)，%；

μ——連續(xù)相動(dòng)力黏度，Pa·s；

tR——三相分離器設(shè)計(jì)水力停留時(shí)間，s；

ts——水顆粒沉降時(shí)間，s；

截至2013年年底，全市建成生態(tài)清潔小流域253條，治理水土流失面積3 232km2。主要取得了四大成效：

ρw，ρo——分別為水和油的密度，kg/m3；

d——聚結(jié)后分散相水顆粒粒徑，μm；

H——液滴在油液中的沉降距離，m。

在“高頻/高壓交流電場(chǎng)+絕緣涂層電極”的組合情況下，分散相水顆粒之間以偶極聚結(jié)為主，通過(guò)計(jì)算可以得到2個(gè)分散相水顆粒發(fā)生碰撞聚結(jié)的過(guò)程僅需0.82 ms。由此可見(jiàn)，電場(chǎng)作用能夠大幅提高分散相水顆粒之間的碰撞聚結(jié)幾率，從而在極短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高達(dá)幾十的粒徑增長(zhǎng)倍數(shù)，可極大地促進(jìn)原油中水顆粒的沉降速度。水顆粒偶極聚結(jié)作用如圖1所示。

圖1 水顆粒偶極聚結(jié)作用示意Fig.1 Illustration of Water-droplet dipolar coalescence

從物理意義上看，α值反映的是圖1所示分散相水顆粒在“高頻/高壓交流電場(chǎng)+絕緣涂層電極”組合情況下，沿流道平行移動(dòng)過(guò)程中與垂直于流動(dòng)方向截面上分散相水顆粒的碰撞聚結(jié)次數(shù)（或體積增長(zhǎng)倍數(shù)）。分散相水顆粒在電場(chǎng)作用下被極化，電性相反的兩端相互吸引、靠近、聚結(jié)，形成的較大的水顆粒相再次相互靠近、聚結(jié)。當(dāng)乳化液中含水較高時(shí)，聚結(jié)的水顆粒相可能會(huì)形成“水鏈”，由于水中離子礦化度較高，可導(dǎo)致傳統(tǒng)的裸露金屬及絕緣性能較差的絕緣電極被擊穿，電場(chǎng)強(qiáng)度迅速降低，失去靜電聚結(jié)作用。沉降分離過(guò)程符合Stokes公式。

2 電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器試驗(yàn)樣機(jī)制造

電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)樣機(jī)主要包括電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器撬體、儀表控制系統(tǒng)和高頻電源，主體結(jié)構(gòu)為內(nèi)置靜電聚結(jié)組件的分離器罐體，如圖2所示。靜電聚結(jié)組件由垂直放置的絕緣電極板、間隔放置的不銹鋼電極板和支架組成。內(nèi)置變壓器的輸入端與外部高頻電源相連，經(jīng)升壓后其輸出端的高壓電極與金屬電極板相連，另一端與外部法蘭接口相連，并與不銹鋼電極板、支架與三相分離器罐體連接在一起接地形成接地極。在絕緣電極板和不銹鋼電極板之間形成高頻高壓電場(chǎng)，當(dāng)原油乳化液通過(guò)絕緣電極板和金屬電極板之間形成的垂直流道時(shí)，在電場(chǎng)作用下油中水顆粒會(huì)發(fā)生聚結(jié)使水顆粒粒徑增大，從而加速油中水顆粒的沉降過(guò)程。

圖2 內(nèi)置靜電聚結(jié)內(nèi)部設(shè)計(jì)示意Fig.2 Schematic of vessel internal electrostatic coalescers（VIEC）

3 電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器礦場(chǎng)試驗(yàn)

電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器撬體入口連接海上平臺(tái)綜合來(lái)液預(yù)留口，來(lái)液為聚合物驅(qū)產(chǎn)出液。試驗(yàn)期間采出液含水率達(dá)到了78%～97%。

3.1 電源頻率對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器分離效率的影響

試驗(yàn)條件：將油水腔水位控制在700～750 mm，油腔液位保持在450～650 mm，控制靜電聚結(jié)模塊位于乳化層，進(jìn)口流量控制在5.3～7.0 m3/h，靜電聚結(jié)器模塊電源電壓為4.98 k V。電源頻率對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器分離效率的影響如圖3所示。

圖3 電源頻率對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器分離效率的影響Fig.3 Effect of power frequency on separation efficiency

由圖3可知，隨著電源頻率的增加，油出口含水率先增加后減小，油出口含水相對(duì)減少率則增加。當(dāng)電源頻率增至3 500 Hz時(shí)，油出口含水率降至12%，油出口含水相對(duì)減少率為85.4%，分離效果顯著。電源頻率在3 500 Hz時(shí)，接近原油油包水型乳化液體系中水顆粒相的固有頻率，水顆粒相的振動(dòng)頻率達(dá)到最大，油水界面膜強(qiáng)度降低，相鄰水顆粒相在電場(chǎng)力作用下加速碰撞聚結(jié)，使水顆粒相粒徑增大，加速了重力沉降分離過(guò)程。

3.2 電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器分離效率對(duì)比試驗(yàn)

試驗(yàn)條件：控制入口流量為10 m3/h，靜電聚結(jié)器模塊電源電壓為4.98 k V，電源頻率為3 500 Hz。其中取樣口1、2設(shè)置在水層，取樣口3、4設(shè)置在乳化層、取樣口5、6設(shè)置在油層。加電與不加電情況下，6個(gè)采樣口的平均含水率如圖4所示。每個(gè)點(diǎn)均取所有測(cè)試試樣含水率的平均值。由圖4可知，在不加電工況下，取樣口6處的油中含水率平均值為18%，而在加電工況下其油中含水率平均值為7%，電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器分離效果顯著。在不加電工況下，取樣口5處的油中含水率平均值為28%，而在加電工況下，其油中含水率平均值為12%，也明顯低于不加電的工況。取樣口3和取樣口4是乳化層所在位置，從圖4可以看出，在加電工況下該區(qū)域混合液的含水率要低于不加電工況20%以上。使用內(nèi)置靜電聚結(jié)組件原油破乳可以顯著提高三相分離器的分離效率。

圖4 VIEC模塊對(duì)三相分離器分離效果的影響Fig.4 Effect of electric field on separation efficiency

3.3 破乳劑對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器分離效果的影響

合成了以酚醛樹(shù)脂為起始劑的聚醚性破乳劑BX12和以有機(jī)胺為起始劑的超支化聚醚反相破乳劑JL2，探究了不同藥劑組合及加量對(duì)靜電聚結(jié)脫水效率的影響，結(jié)果如圖5所示。其中取樣口1、2設(shè)置在水層，取樣口3、4設(shè)置在乳化層、取樣口5、6設(shè)置在油層。靜電聚結(jié)器模塊電源電壓為4.98 kV，電源頻率為3 500 Hz。

圖5 破乳劑種類(lèi)及加藥量對(duì)靜電聚結(jié)破乳效果的影響Fig.5 Effect of demulsifier types and their dosage on separation efficiency

試驗(yàn)結(jié)果表明，在有高頻電場(chǎng)的情況下，單獨(dú)應(yīng)用JL2破乳劑，濃度較高（150 mg/L）時(shí)效果較好，可以有效壓制乳化層的厚度，體現(xiàn)在3、4號(hào)取樣口的油中含水率較低；與JL2破乳劑對(duì)比，BX12破乳劑脫水效率較高，當(dāng)投加量為120 mg/L時(shí)，其脫水效率和JL2投加量為150 mg/L時(shí)相當(dāng)；2種藥劑組合應(yīng)用，當(dāng)BX12、JL2投加量分別為80、100 mg/L時(shí)，3、4號(hào)取樣口含水率最低，乳化層含水率低至5%左右，但5、6號(hào)油樣出口最終含水率不降反升。綜合考慮，在電場(chǎng)內(nèi)，BX12單獨(dú)應(yīng)用的效果較為理想。但結(jié)合前述試驗(yàn)結(jié)果可知，在有破乳劑情況下的破乳效果和單獨(dú)應(yīng)用高頻電場(chǎng)時(shí)效果相當(dāng)，由此可以進(jìn)一步證明電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器的技術(shù)效果。

4 結(jié)論

（1）在指定的乳化液體系下，電場(chǎng)強(qiáng)化油水分離器在頻率為3 500 Hz時(shí)脫水效果最好，油出口含水率降至12%，相對(duì)減少率達(dá)85.4%。

（2）使用VIEC組件原油破乳可以顯著提高三相分離器的分離效率，其可以適用于高含水工況，單級(jí)處理效率高，可減少甚至避免使用破乳劑，節(jié)約了藥劑成本。